锚杆与抗滑桩在高速公路高边坡加固中应用效果比选

霍 建 忠

(山西路桥建设集团有限公司阳泉分公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

伴随我国基础设施建设水平的不断提升，大批城市基础设施建设工程项目相继开工，极大地激发了国内基础设施建设的发展；但需要注意的是，我国地理位置复杂多变，且大部分区域处于多山地区域，地震带分布密集、复杂，基础设施建设中的岩土工程设计及勘察工作显得尤为重要，尤其对于部分结构的边坡稳定性问题成为制约基础设施建设水平的主要瓶颈。

1 项目概况

综合分析项目施工区域的地质情况，以国内某在建高速公路项目为对象，对于施工高度超过10 m的岩石边坡进行摸排，经过工程调研发现，工程中涉及的大部分边坡较陡，且产状特点呈现斜交、顺层形态岩石，局部有较为明显的软弱夹层存在。具体分布情况为：沿着路线边坡走向，岩层的节理形式呈现斜交、陡倾层小角度斜交、缓倾顺层产状的所占比例较大，经调查发现，其占比分别达到总量的16%,14%,20%,18%；岩层分布形式呈陡峭产状的占比大致居中，所占比例为9%,10%；最后，岩层节理呈现陡倾、反倾形式明显的顺层产状的岩层占比最低，所占比例为2%,4%,2%,4%,2%。

2 锚杆加固高边坡支护方案

2.1 锚杆支护效应分析

1)中间含软弱夹层的边坡，对于软弱夹层而言，其内部的最薄弱面的抗滑移能力大于岩石之间自身的摩阻力时，其中的软弱夹层以及上部的岩石将沿着滑动平面发生剪切变形和移动。在岩石整体中，滑动行为大多数发生在节理裂隙发育完全的软弱夹层之间。为了确保其工程稳定性，必须通过大规模的削坡以降低荷载水平，从而达到理想的稳定性的坡度角度，并设置挡土墙等设施作为工程支护。一般情况下，选用单一形式的削坡降低荷载并加设挡土墙并不是性价比最高的方式，可以考虑选用锚定杆加固方式；

2)内含软弱土层的边坡安全稳定系数不足，工程实践中，绝大多数边坡稳定性系数不足1，在自重荷载作用下很容易出现失稳问题，加之外界荷载或者地震波的作用下，质地较软的边坡坡面很容易产生较大的滑移，这表明绝大多数条件下的边坡借助自身条件无法满足受力平衡，存在较高的潜在坍塌风险。所以，有必要对结构薄弱部位进行锚定杆加固方式。

2.2 锚杆加固数值分析

1)关于锚定杆加固的数值模拟分析。

单元模拟假设：将锚定杆设为两节点杆单元，并添加预应力，且杆单元具有一定的横截面积，两节点位置可视为无约束端和刚性约束端。刚性约束位置选用梁单元，考虑杆系结构的刚性约束力；无约束端选用桁架单元模拟，考虑到桁架单元仅受到杆件轴力，所以，桁架单元仅需要使用一个单元，桁架单元预应力以“拉负压正”为标准；

2)从锚定杆预应力加固方面考虑，考虑在结构自重荷载下的稳定系数、地震荷载条件下的位移极限值及锚定杆内力等三方面分析，得到了锚定杆增加应力后的软弱岩层的边坡稳定性分析，得到了具体的锚定杆支护效果；

3)预应力锚杆加固方案安全系数分析。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，进一步得到了在经加固后的含有软弱岩层的边坡结构在自重荷载下的稳定系数可达到1.2，相同边坡仿真模型下没有添加锚固约束的稳定系数仅为1.01。对比可见，采用锚固增强能够极大提高结构边坡的稳定系数，增强边坡稳定性能；

4)预应力锚杆加固地震力作用下的水平位移。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，得出施作锚杆前后边坡水平方向的位移云图，从而得出施加锚定杆前的边坡水平方向位移值为1.02 cm，经加固的位移峰值缩减至0.51 cm；

5)预应力锚杆加固地震力作用下的竖向位移。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，得出施作锚杆前后边坡竖直方向的位移云图，进而获取锚定杆施加应力前的软弱土层至坡面的整体滑动位移，经过计算，其位移大体上介于0.58 cm～1.05 cm之间，通过锚定杆加固，位移降低至0.28 cm～0.76 cm之间，位移峰值从1.08 cm降低至0.76 cm，通过数据显示，锚定杆支护效果非常显著；

6)预应力锚杆加固锚杆内力分析。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，锚杆锚固端轴力越靠近坡体越大，基本呈线性梯度增加，其中最大值为42.2 kN。

3 抗滑桩加固高边坡支护方案

3.1 抗滑桩支护效应分析

在数值模拟过程中，桩体与岩层间的作用力能够使用非线性弹簧模拟。通过定义非线性弹簧的本构关系，以得到二者间的滑移值，通过非线性弹簧可以正常传递节点之间的应力和弯矩，还能够模拟桩周围土体的挤压作用。

3.2 抗滑桩支护数值分析

1)关于桩抗滑移的数值分析及单元模拟。

为了分析抗滑移桩的力学性能，其单元参数通过本构关系、材料参数及接触类型综合定义。同锚定杆系结构类似，节点间的线段代表单个桩基础单元，桩基础单元能够定于截面积。接触类型定义方面，同梁单元类似，属于常用的结构单元之一；

2)抗滑桩支护加固效果分析角度。

从自重荷载下的稳定系数值，地震荷载下的位移极值、桩基内力等方面对照，得到边坡加固前后的稳定性分析结果；

3)滑移阻抗桩的稳定系数。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，经抗滑移加固后，能够计算出加固后的含有软弱土层的边坡在自重荷载下的稳定系数为1.21，相同位置处的未加固边坡稳定系数为1.02。对照可知，滑移阻抗桩加固后可以极大地提升结构的稳定性；

4)滑移阻抗支护结构在地震荷载作用下水平方向的位移。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，未进行加固施工的边坡产生显著的位移，水平位移峰值为1.02 cm，加固后的位移峰值降低至0.75 cm；

5)抗滑桩支护地震力作用下竖直方向的位移。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，在竖向方向进行加固时，其位移的峰值为1.08 cm，施加抗滑桩后，位移峰值降低至0.87 cm。通过计算数据显示，位移峰值明显下降，成因主要是位移极值出现在坡顶，滑移阻抗桩的位置和坡顶面存在一定的距离，加固桩阻碍了坡体在水平荷载下的滑移值，其加固效果并不显著；

6)抗滑桩内力分析。

采用有限元软件ANSYS通过分析计算，由坡顶面至下，首根抗滑动桩剪力值明显超过第二根，剪力值呈现阶梯式变化，临界位置剪力峰值突破580 kN。

4 加固效果比选

1)在荷载自重作用下的安全系数计算。

通过分析可得，在缺乏相关支护的前提下，选择不同的支护条件下的对应稳定系数如表1所示。

表1 不同类型加固方式的安全系数

在结构自重作用下，从表1边坡的安全系数可得到，通过锚定杆或者抗滑移桩能够显著提升边坡的稳定性，确保边坡稳定系数提高。滑移阻抗桩的支护作用体现在对土体滑坡的遏制，能够显著提高土体在自重荷载下的稳定性，增强边坡稳定储备。

2)地震波作用下的位移值。

通过分析可以对比得到不同支护工况下的边坡在地震荷载下位移变化情况如表2所示。

表2 不同类型支护方式位移峰值 cm

在地震荷载作用下，从边坡的位移角度分析，经锚定杆加固后的岩层其位移显著降低，峰值降低幅度较高。但抗滑移桩对岩层的加固效果尚不显著，位移峰值相对降低幅度不高，分析原因主要是抗滑桩的布设没有锚定杆灵活，且只能布置在坡度较为平缓的下部。

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