不同框架锚杆布置方式对加固边坡效果影响分析研究

谭玉强，姬同旭，安邦超

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 引言

2 框架锚杆布置方式

在前人研究的基础上，本文将框架锚杆的布置方式分为俯斜式、水平式和仰斜式三类。三种布置方式如图1所示。三种锚杆的布置方式，锚杆的起点一致，因此三种布置方式的框架梁布置方式是一样的。考虑到工程实际，本文将仰斜式框架锚杆的第一排的锚杆倾斜角度设为7°。

图1 锚杆布置方式

Fig.1 Lay-out mode of bolt

3 模型建立与参数确定

本文采用数值模拟的方法，在相同框架面积、相同工程量、相同框架界面的条件下开展不同框架锚杆的布置方式下的加固效果对比分析研究。其中锚杆的锚固段长度均为5 m。框架梁的布置方式及监测点布置情况如图3所示，黑色实心原点为锚杆头部，A点、B点和C点以及对应的坡脚点为监测点。框架为2 m×2 m。假定边坡为岩性较为均匀的土质边坡，模型长32 m、高15 m、宽9 m，共计18 110个单元，模型如图3所示。岩土体参数如表1所示，框架梁结构参数见表2，锚杆结构参数见表3。

图2 框架梁及监测点布置图

Fig.2 Arrangement of frame beam and check points

图3 边坡模型图

表1 岩土体参数

表2 框架梁结构参数

表3 锚杆结构参数

4 结果分析

为分析不同下滑推力下两种锚固方式的加固效果，本文选择在滑体上部依次施加0 kPa、12 kPa、15 kPa、18 kPa、21 kPa、24 kPa、27 kPa、30 kPa、33 kpa的荷载。根据计算结果选择从监测点水平向位移、锚索最大轴向应力、框架梁最大应力(FZ)及框架梁最大弯矩(MZ)四个方面进行对比分析。

4.1 监测点水平向位移

从图4、5可以看出，随着上部荷载的增加，监测点的水平向位移也逐步增大，且三种布置方式监测点的水平向位移增大趋势基本相同。当采用俯斜式布置方式时，监测点水平向位移随上部荷载变化，其位移增大速率较其他两种方式大，当上覆荷载为33 kpa时，其监测点水平向位移最大可达到518.8 mm，远大于其他两种布置方式。对于平行式和仰斜式两种布置方式来看，当滑体上部荷载小于12 kPa时，布置方式监测点的的水平位移基本处于同一水平；当上部荷载大于12 kPa时，平行式布置方式监测点的水平位移突然上升且幅度较大，在上部荷载为33 kPa时，水平位移最大值为82.56 mm，而仰斜式布置方式的监测点水平位移虽有一定程度的增大但幅度相比矩形结构要小，在上部荷载为33 kPa时，水平位移最大值为27.92 mm，仅为俯斜式布置方式的5.4%，为平行式布置方式的33.8%。由以上分析可知：在相同的框架面积下，就单从监测点的位移变化来看，仰斜式的布置方式要优于平行式布置方式和俯斜式布置方式，俯斜式布置方式为最不利布置方式。

图4 同布置方式下A、B监测点水平向位移

图5 不同布置方式下C、D监测点水平向位移

4.2 锚杆最大轴力分析

从图6可以看出，当滑体上部无荷载时，三种布置方式下锚杆轴力最大值基本在同一水平，当滑体上部施加荷载时，三种布置方式下锚杆轴力最大值基本均呈增大趋势，但仰斜式布置方式时，锚杆轴力最大值增加速率要大于其他两种布置方式。在上部荷载为33 kPa时，仰斜式锚杆最大轴力为195.2 KN，较平行式锚杆增大19.5%，较俯斜式锚杆增大27.3%。由以上分析可知，当采用仰斜式锚杆进行边坡加固时，锚杆轴力偏大，而采用平行式布置和俯斜式布置方式时，锚杆轴力变化不大。考虑到锚杆抗拉性能要强于抗剪性能，在锚杆抗拉能力允许的情况下，仰斜式锚杆可充分发挥锚杆的优点，但在实际工程中需适当增加锚杆锚固段长度，以避免出现锚杆轴力过大导致锚杆断裂的情况。

图6 不同布置方式下锚杆最大轴力

4.3 框架梁最大应力及弯矩

从图7可以看出，随着上部荷载的增加，三种布置方式下框架梁的最大Z向应力均呈增大趋势。当滑体上部荷载小于15 kPa时，三种布置方式下框架梁的最大Z向应力基本一致。；当滑体上部荷载大于15 kPa时，俯斜式布置形式下框架梁的最大Z向应力上升幅度较大且远大于平行式和仰斜式布置形式，在上部荷载为33 kPa时，仰斜式布置形式下框架梁的最大Z向应力值为1.45 KN，为俯斜式布置形式的2.5%，为平行式俯斜式布置形式的7.7%，，说明采用仰斜式布置形式时，边坡加固效果较好，坡面无明显滑动，框架梁基本处于低受力状态。

从图8可以看出，随着上部荷载的增加，三种布置方式下框架梁的最大Z向弯矩均呈增大趋势。当滑体上部有施加荷载时，俯斜式布置形式下框架梁的最大Z向应力上升幅度较大且远大于平行式和仰斜式布置形式，在上部荷载为33 kPa时，仰斜式布置形式下框架梁的最大Z向应力值为1.97 KN·m，为俯斜式布置形式的4.1%，为平行式俯斜式布置形式的21%，说明采用仰斜式布置形式时，边坡加固效果较好，坡面无明显滑动，框架梁基本处于低受力状态。

图7 不同布置方式下框架梁最大Z向应力

图8 不同布置方式下框架梁最大Z向应力

5 结论

本文通过数值模拟的方法对比分析研究了仰斜式、平行式、俯斜式三种不同锚杆布置形式在防治边坡时的加固效果。研究得到的结论如下：

(1)从三种不同锚杆布置形式下监测点的位移情况看来，在相同的框架梁结构的情况下，就单从监测点的位移变化来看，仰斜式的布置方式要优于平行式布置方式和俯斜式布置方式，俯斜式布置方式为最不利布置方式。

(2)当采用仰斜式锚杆进行边坡加固时，锚杆轴力偏大，在锚杆抗拉能力允许的情况下，仰斜式锚杆可充分发挥锚杆的优点，但在实际工程中需适当增加锚杆锚固段长度。

(3)从三种不同锚杆布置形式下框架梁最大应力及弯矩情况看来，采用仰斜式布置形式时，坡面无明显滑动，框架梁基本处于低受力状态，边坡加固效果要明显优于平行式布置方式和俯斜式布置方式。

(4)目前受仰斜锚杆注浆的限制，对于本项目提出的锚杆支护布置形式只是局限于数值分析阶段，尚缺乏相关实际工程验证，后期可进一步依托实际工程进行工程实践。