预应力锚杆排布方式对土质边坡支护效果的影响

宋 治

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

1 概述

在边坡预应力锚杆支护的设计中，合理的选择锚杆布置参数以及排布方式，对于提升边坡稳定性和控制工程成本，具有重要的意义。因此，国内的众多学者也对此进行了研究，取得了丰硕的成果。其中在锚杆参数布置方面，张季如、林杭等[1,2]分别借助于锚杆现场试验和数值模拟分析，研究了锚杆长度对锚固效果的影响，提出了有效锚固长度的概念；蒋明杰等[3]通过对公路边坡锚固结构的分析，确定了锚杆(索)最佳锚固角的表达式；杨涛等[4]研究了预应力锚索地梁中合理确定锚固角的方法,定义了预应力的利用率,提出了以初判条件和预应力利用率为主来锚固角的方法；杨自友等[5]通过实验室地质力学模型试验,研究了长度相同而间距不同的锚杆对洞室围岩的不同加固效果。在锚杆排布方式方面，林杭等[6]探究全长粘结锚杆长短相间的形式、布置位置的变化对锚固结果的影响，结果表明随着锚杆布设位置的下移,边坡安全系数呈先增大后减小的趋势,当锚杆布设在坡面中下部时得到的安全系数最大；马国庆等[7]进行了锚杆长度等差变化对多级边坡支护效果的数值模拟，但结果显示这种变化对边坡稳定性影响很小。

在锚杆布置形式的研究中，数值模拟能够很好的体现边坡在不同加固形式下滑动面、稳定性系数、潜在位移、剪应变等的变化。因此，本文采用Flac3D建立典型的土质边坡模型，在锚杆数量、长度、间距、锚入角度等因素均相同的前提下，探究预应力锚杆的坡面排列方式，排布位置以及布置密度的变化对锚固效果的影响，从而为土质边坡预应力锚杆的合理设计和施工提供一定的建议。

2 模型的设置

数值模拟选取的土质边坡高为14 m,坡率为1∶1，宽度为10 m,如图1所示。

模型下侧边界和右侧边界固定，侧向约束水平位移，上部和左侧为自由边界。模型的初始应力场设定为自重应力场，并在初始状态计算时予以考虑。土质边坡的各项参数取值按如表1所示，在安全系数计算时，使用Flac3D自带的强度折减法，得到未锚固前的安全系数为1.00，其潜在滑动面如图2所示。进行锚固分析时，选择预应力锚杆，分别设置不同的参数模拟预应力锚杆的锚固段和自由段，在锚杆的自由段施加60 kPa的预紧力，并通过在锚头位置设置刚性连接模拟托盘。锚杆的各项材料和布置参数如表2所示，在以下的分析中均保持不变。

表1 土质边坡的各项参数

3 分析与讨论

3.1 不同排列形式的预应力锚杆支护

根据相关规范及实际施工需要，边坡锚杆加固一般布置为矩形或菱形(交错型)，其中菱形布置可以分为同侧交错和异侧交错。此次模拟设定的布置方法如图3所示，每种方式布置锚杆16根，除布置形式外，其余参数均按照表2进行取值，得到支护效果如表3所示。

表2 预应力锚杆的各项参数

表3 锚杆的三种排列形式支护效果对比

由表3可知，三种排列形式的锚杆支护都取得了比较好的支护效果，支护之后边坡的安全系数明显提高，潜在位移得到了控制。在其他条件均相同的条件下，菱形布置能取得相对更好的支护效果，得到的安全系数稍高。在实际的边坡支护中，出于护坡和绿化的需要，锚杆之间需要连接砌筑，矩形布置更便于施工，且与菱形布置取得的支护效果近似。因此，在中小型边坡预应力锚杆支护的设计中，在工程预算和其他条件一致的情况下，可以选择矩形排列形式布置，这也与实际的工程应用情况一致。

3.2 不同排布位置的预应力锚杆支护

根据以上分析可知，不同布置形式的预应力锚杆对边坡有着相近的支护效果。下面以矩形排布方式为例，将锚杆布置在边坡坡面的不同位置(如图4所示)，研究其排布位置对土质边坡支护效果的影响。试验模拟中，预应力锚杆除排布位置外，其他参数保持不变，按照表2进行取值，得到的支护效果如表4所示。

从表4可知在布置形式等其他条件相同的情况下，锚杆的布置位置对支护效果的影响很大，锚杆布置越靠近边坡坡脚，其安全系数越大。分析可知，这是由于初始条件下，此边坡的潜在滑出区位于坡脚位置，当预应力锚杆的布置靠近滑出区时，依靠锚杆的挤压加固作用，能最大程度地阻止边坡的因剪切破坏而滑出，从而得到最好的锚固效果。

表4 锚杆的不同排布位置支护效果对比

3.3 不同密度分配的预应力锚杆支护

锚杆的密度是指单位面积内布置锚杆的数量。在边坡锚固方案中，为了简化设计和加快施工进度，大多直接将整个坡面的锚杆密度设置为均布，但对于密度均匀分配是否为最佳形式，并没有直接说明。为了研究相同锚杆数量、相同排布方式、相同排布位置的情况下，预应力锚杆密度分配方案对支护效果的影响，将坡面分为上下两侧，使用相同数量的锚杆，但采取不同的密度分配方案。具体的布置形式如图5所示，除密度分配方案不同外，锚杆布置的其他条件均相同，按照表2进行取值。

将以上三种不同锚杆密度分配的预应力锚杆进行Flac3D支护模拟，得到的支护效果如表5所示。

表5 锚杆的不同密度分配支护效果对比

由表5可知，三种锚杆密度分配方案下，均能对边坡取得很好的加固效果，坡体安全系数大幅提升，坡面潜在位移消失。比较安全系数可知，在锚杆布置位置和布置数量确定的情况下，在下侧增加锚杆密度(布置更多的锚杆)，取得的支护效果更好。一般而言，边坡的水平应力大小与其位置有关，下侧具有更大的初始应力，在下侧适当的增加预应力锚杆密度，能充分发挥锚杆自身的挤压作用，防止土层因初始水平应力而引起的错动，从而达到更好的支护效果。

4 结语

本文采用Flac3D软件探究了预应力锚杆的坡面排列形式、锚杆排布位置以及锚杆密度分配对土质边坡支护效果的影响，得到以下结论：

1)边坡锚杆加固常用的坡面排列方式包括矩形和菱形，在其他条件相同的情况下，菱形排列方式相对更好。

2)锚杆的排布位置对预应力锚杆的支护效果影响很大，靠近边坡的潜在滑出面(一般在边坡中下部)布置锚杆，能取得最好的加固效果。

3)在锚杆布置数量和排布位置确定的情况下，可以适当地将靠近下部的位置增加锚杆密度。相对于均匀布置，这种方案能取得更好的支护效果。