地震作用下框架预应力锚杆支护边坡稳定性分析

罗 萍 叶帅华

（1 中国甘肃国际经济技术合作总公司，甘肃 兰州 730000；2 兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

地震诱发的事故颇多，而边坡滑动是主要的地震地质灾害类型之一，地震诱发的滑坡分布广泛，数目较多，危害较大，因此，地震作用下边坡动力稳定性一直备受关注[1-3]。许多相关研究人员利用计算机软件进行数值模拟，研究了地震作用下边坡的稳定性，如董建华等[4]采用虚拟激励法对框架预应力锚杆边坡锚固结构进行随机地震反应分析，得出随机地震反应岁颇高逐渐增大，在坡中上部达到极值；张雷等[5]对预应力锚索加固边坡进行FLAC数值模拟，通过对比前后边坡位移、锚索轴力、应力等说明锚索加固对边坡治理非常有效；段建等[6]结合理论分析和FLAC数值模拟，探讨了地震边坡岩土体应力状态和破坏特征，发现边坡顶单元易产生拉应力，发生拉破坏，边坡动力失稳是因拉剪滑面贯通所致。这些研究为以后框架预应力锚杆支护结构的工程实践和理论研究奠定了基础，并且具有借鉴意义。

框架预应力锚杆支护结构凭借其独特的优势在边坡加固中得到广泛应用，因此，本文以兰州某住宅小区为研究背景，利用PLAXIS 3D进行数值模拟对地震作用下框架预应力锚杆加固边坡的稳定性进行探讨。

1 工程概况

中村花园住宅小区场地位于兰州市城关区大砂坪，北辰花园西侧，迭部林业局兰州北山林场苗圃基地院内。场地东西宽约37.0～140.0米，南北长约458.0米，场地内建筑物为13栋2～33层高低不一的建筑及地下车库。其中1#～3#楼层高为7层，位于边坡K7～K10段北侧，其中3号楼距边坡最近，其距离约为9.7m。4#楼为7层，5#楼为4层，6#楼为22层位于边坡K5～K6段东侧，其中5#楼距离边坡15m；6#楼距离边坡15m。9#、10#楼层高14层～22层，12#楼层高28层，位于K1～K5段东侧，其中9#楼距离边坡最近，其距离约为12m；10#楼距离边坡18m；12楼距离边坡15m。11#楼层高33层，位于边坡K13～K14段东侧，距离边坡约8.5m。

2 支护方案

2.1 边坡设计坡角

边坡支护以框架预应力锚杆支护结构为主，边坡角度60º。

2.2 岩土体参数

表1 边坡土体参数

根据《白龙江林管局迭部林业局中村花园住宅小区边坡治理工程勘察报告》边坡支护设计时，各地层的设计参数见表1所示。

2.3 支护设计

根据边坡具体工程地质条件，针对中村花园住宅小区边坡高度和特性，确定采用框架预应力锚杆支护结构的加固方案。如图1所示，支护高度为12m，框架预应力锚杆支护结构的横梁和立柱横截面均为300mm×300mm，锚杆预应力张拉值均为100kN，锚杆水平和竖直间距均为3000mm。

图1 边坡支护剖面图

3 数值模拟

3.1 建立模型

为得到地震力作用对边坡稳定性的影响，排除其他因素的影响，对边坡计算模型进行适当的简化。假设边坡材料介质为均匀的弹性体，不考虑地下水的影响，通过输入实测地震加速度时程曲线进行有限元分析，在边坡的关键部位布置测点，观察边坡内部不同部位的位移、位移速度随时间的变化规律以及锚杆的轴力和抗滑桩的水平位移。

图2 模型图

表2 锚杆参数

利用PLAXIS 3D建模，如图2，模型为40m×40m×22.25m的土体，土体分为三层，第一层为填土层，第二层为黄土层，第三层为砂质泥岩层，均采用摩尔库伦计算模型，土体参数见表1。边坡坡底设有抗滑桩，为得到更加精确的模拟结果，模拟实际施工中的分层浇筑，距离边坡8m施加100kN的荷载替代周边建筑物，框架梁、柱材料均采用梁，间距均为3m，预应力锚杆定位于框架横梁与立柱连接点，锚杆自由段材料选用点对点锚杆，锚固段和抗滑桩选用嵌入式梁，预应力锚杆参数见表2。

3.2 输入地震加速度时程

本章目的是寻求边坡在地震力作用下响应的一般规律，因此本章计算选取了一段地震加速度时程曲线，见图6.4，采用在地震反应分析时常用的El-Centro地震波，地震持续时间10s，间隔时间10s。

图3 地震加速度时程曲线

4 模拟结果分析

地震变形云图如图4，为考察边坡内部质点在水平方向和垂直方向随时间的变化规律，分两次分别设置5个垂直方向观测点和8个水平观测点，计算完成后，提取各观测点的位移数据绘制其随时间的变化曲线，可找到边坡内部质点的位移分布规律。

图4 地震变形云图

4.1 垂直方向上质点位移规律

在模型上分别了选取5个垂直排列的质点。得出其位移曲线图即图5和图6，说明了竖直方向上，边坡内部质点在y和z方向上的位移随时间的变化过程，可以看出各质点在y方向的运动方向一致性不太好，位移相差较大；在z方向的运动方向一致较好，位移相差不大；各质点位移趋势基本都向边坡方向发展，且在3s之后开始趋于稳定状态，5s之后位移波动变化基本稳定；但值得注意的是越靠近地表的质点，在地震过程中位移相对坡内的质点越大，越靠近坡顶的质点，在地震过程中位移越大。

图5 垂直方向各质点y方向位移图

图6 垂直方向各质点z方向位移图

4.2 水平方向上质点位移规律

图7 水平方向各质点y方向位移图

图7、图8说明了当质点水平排列时，边坡内部质点在y和z方向上位移随时间的变化过程，可以看出各质点在y方向的运动趋势均具有较好的一致性，位移相差不大；在z方向的运动趋势一致性不太好，位移相差较大；但值得注意的是越靠近坡面的质点，在地震过程中位移相对靠近坡内的质点越大；如图6，靠近周边建筑物的质点G和质点H位移较大，是因为周边建筑物受到的地震影响较大；位移在y正负方向上都有分布，各质点位移在3s之后逐渐开始趋于稳定状态，且5s之后位移变化基本稳定。

图8 水平方向各质点z方向位移图

5 结语

考虑基坑开挖过程的影响，基于平面应变模型分析和讨论了框架预应力锚杆柔性支护结构用于基坑支护时，坡面水平位移随设计参数的变化在施工阶段的变化规律，具体结论如下：

1）地震作用下，框架预应力锚杆支护边坡的位移规律：地震作用下，垂直方向上，距离边坡坡顶越近，质点位移越大；水平方向上，距离坡面越近，质点位移越大；

2）地震对周围建筑物的影响不可忽略，距离周边建筑物越近的质点位移较大；地震对建筑物的影响力受建筑物荷载大小影响。