格构梁联合锚杆在顺层岩质边坡加固中的数值模拟分析

张 勇 吴礼浩 方龙建

(1.江苏地质基桩工程公司，江苏 镇江 212001； 2.江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江 212001)

0 引言

岩层走向和倾向与边坡走向和倾向一致的边坡称为顺层或顺倾边坡,其余的叫反倾或斜向边坡[1]。在实际工程中划分归类时,通常将走向与岩层走向夹角小于20°或者倾向接近的边坡定义为顺层边坡。对于顺层岩质边坡的稳定性受多种因素影响，首先取决于层岩倾角、地层岩性、结构面等内因。除此以外还包括地下水的作用和开挖坡角、边坡高度、爆破震动效应、地震效应等其他因素，所以会在边坡工程中产生较多的影响[2]。对于顺层岩质边坡稳定加固治理前人提出如下加固措施：白松松等[2]，为了充分发挥抗滑桩其抗滑能力大、桩位灵活、设备简单、施工方便、经济有效等优点，通过对抗滑桩受力理论分析和室内缩尺模型试验进行验证，得出结论抗滑桩可以提高岩质边坡的稳定系数。张小勇等[3]，通过赤投影法判断顺层岩质边坡的稳定性，提出采用微型桩对边坡进行加固设计，按设计加固方案加固后的边坡稳定系数计算结果满足设计安全要求。舒海明等[4]，通过对大锚杆受力性能分析，以及在工程中应用的成功案例，介绍了大锚杆对顺层岩质边坡加固技术应用。随着我国山区高速公路工程建设的大力发展, 锚杆作为一种重要的边坡锚固技术, 在边坡加固中的应用越来越普遍。锚杆加固具有主动受力的作用, 通过锚固段提供锚拉力, 通过自由段实现预加应力,使用锚固技术可以大大改善岩土体的应力状态, 提高岩土体的整体性、承载力及稳定性[5]。前人学者对顺层边坡加固治理措施的理论分析与模拟在实际工程应用中都具有一定的局限性，抗滑桩虽然可以充分利用桩身高强度提高边坡稳定性但是在硬质岩层成孔困难。大锚杆或者微型桩能够解决施工难度但是其自身整体性较差。

本文提出格构梁配合锚杆加固顺层岩质边坡，锚杆在硬质岩层成孔相对抗滑桩施工相对较简单，格构梁配合锚杆相比大锚杆、微型桩、混凝土素桩等整体性较好。通过大型通用有限元软件MIDAS-GTS进行建模分析，对锚杆及格构梁配合效果进行稳定分析，通过分析对比总结得出：格构梁配合锚杆不仅可解决施工难题,同时也可以加强顺层岩质边坡中潜在滑动层和边坡的整体稳定性并提高边坡整体的安全稳定性系数。

1 格构梁配合锚杆在顺层岩质边坡加固治理受力机理

顺层岩质边坡的稳定性受多种因素影响，首先取决于层岩倾角、地层岩性、结构面等内因。除此以外还包括地下水的作用和开挖坡角、边坡高度、爆破震动效应、地震效应等其他因素。所以会在边坡工程中产生较多的影响[6]。

采用锚杆加固方法可以对边坡的变形有阻止作用。在坡面设置格构梁，可以加强坡体的整体性。在锚杆加固的作用范围上，可以对边坡的应力集中进行释放，减缓边坡的局部破坏。对被加固边坡而言，锚杆主要作用是将边坡下滑体的下滑力传递到边坡基岩层深处，这样提高了边坡的抗滑力值，从而边坡的稳定性得到提升。锚杆实际上是承受下滑体和基岩错动产生的剪力而产生的拉应力作用，锚杆处于受拉状态。锚杆的轴力是沿锚杆线性变化，在潜在滑动面处锚杆的轴力处于最大值状态，见图1。

锚杆联合格构梁加固措施，可以充分发挥基岩的强度使得潜在滑动体和基岩联合成为一个整体受力基体。使用格构梁可以增加锚杆加固影响范围使得上层潜在滑动层通过锚杆连接和基岩形成一个稳定的边坡体。锚杆通过锚固段与基岩紧密相连，锚固段长度和基岩情况决定了锚杆的抗拔承载力大小。锚杆数量和格构梁界面尺寸和间距布置情况取决于锚杆的抗拔承载力设计值。

2 锚杆联合格构梁加固边坡数值分析验证

2.1 MIDAS-GTS边坡计算分析原理

MIDAS-GTS采用摩尔—库仑强度准则理论，模拟土体饱水工况条件下分析边坡的稳定状态。在数值模拟分析中，以收敛的非线性静力工况计算下的边坡各土体单元位移大小来衡量边坡各部位的稳定性是最为直观的定量描述，而采用强度折减法计算的边坡稳定安全系数是表征边坡稳定性的关键性指标。其中强度折减法是通过不断减少边坡岩土体抗剪切强度参数的赋值如粘聚力c和内摩擦角φ直至达到极限破坏状态为止，根据弹塑性有限元计算结果得到滑动破坏面，同时得到安全系数[7-9]。

2.2 材料本构参数

在本文数值模拟验证中基岩的本构关系模型选用德鲁克—普拉格(Drucker-Prager)模型，该模型下的岩体本构关系主要由五个参数来确定，分别是岩体的弹性模量、密度、泊松比、内摩擦角以及粘聚力。D-P本构模型适用于岩石地基条件下的各类工程的模拟计算，运行效率较高，计算精度的准确与否与所选参数的正确性密切相关[10]。表层下滑体选择摩尔—库仑本构模型。格构梁使用的混凝土材料和锚杆使用的钢筋都选择弹性本构模型，见表1。

表1 模型材料参数

2.3 数值模型

考虑到坡面施工格构梁，本次模型建立三维实体单元。其中格构梁采用梁单元，锚杆锚固段选用梁单元，自由段选用植入式桁架，边坡土体和基岩选用实体单元模拟。模型设置长120 m，宽30 m，高70 m，坡脚基岩层长16 m。模型效果如图2所示。模型边界约束条件设置为四周对应限制水平位移，底边设置水平和竖向约束，边坡表面为自由面。

边坡加固措施为本文前面提到的锚杆联合格构梁加固方案，加固作用如图3所示。为了对比分析锚杆联合格构梁对顺层岩质边坡加固效果，本文分别对原状边坡安全系数分析、对边坡进行采取锚杆预应力加固措施以及锚杆联合格构梁加固措施进行对比，见表2。

表2 截面和接触特性参数

名称Kn/kN·m-2kt/kN·m-2C/kN·m-2ϕ/(°)D/mm备注锚杆锚固段100 000100 0005023110—锚杆自由段————32预应力40 kN格构梁400×400—

2.4 结果分析

首先对岩质顺层边坡原状采用强度折减法进行安全系数分析，分析结果边坡稳定系数值为1.025边坡处于非稳定状态，边坡最大剪应力变形云图如图4所示，剪切滑动带贯穿整个边坡体。对边坡采用锚杆加固后边坡稳定性系数提高为1.212，此时边坡处于稳定状态。边坡最大剪切变形如图5所示，在锚杆加固作用下坡体的剪切应变明显变小，而且在没有上下贯通的滑动带产生。对边坡采用锚杆联合格构梁进行加固处理，边坡安全稳定系数变为1.378，边坡稳定性提高更大，边坡最大剪切应变如图6所示，坡体剪应变主要集中在坡脚处。

3 总结分析

本文结合前人对顺层岩质边坡加固措施研究，提出采用锚杆联合格构梁措施加固顺层岩质边坡。介绍了锚杆联合格构梁施工方案的受力机理以及两者结合的优点，并利用MIDAS-GTS大型通用有限元软件根据强度折减法对顺层岩质边坡稳定性分析，通过对比采用加固措施及加固措施不同总结如下结论：

1)单纯采用锚杆加固顺层岩质边坡稳定系数不如采用锚杆联合格构梁加固稳定性大。

2)此次模拟分析采用锚杆加固顺层岩质边坡安全系数为1.212提高约为18%，而采用锚杆联合格构梁加固边坡安全稳定系数为1.378提高约为34%，比起单独使用锚杆效率更高，边坡稳定系数更安全。

3)如果施工抗滑桩比较困难而且单独采用锚杆加固边坡稳定性系数达不到稳定性要求可以考虑采用锚杆联合格构梁加固顺层岩质边坡。