路堑高边坡锚杆支护方式对边坡稳定性影响研究

贾慧光

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 沧州 062350）

边坡工程涉及公路、铁路、矿山等众多领域，中国近些年发生的地质灾害现象主要以滑坡、山体崩塌为主，其中滑坡灾害占比达到74.5%。尤其是边坡开挖后，岩体内部应力重新分布，岩体易生成张拉裂纹（卸荷裂隙），导致边坡更容易产生滑坡失稳现象，因此，山区滑坡问题严重影响了工程建设。随着我国交通建设的重点逐渐向西部地区转移，边坡的稳定性分析已经成为众多学者主要的研究方向。由于岩体内部的非均质性，导致其内部应力环境多变，锚杆的最佳锚固方式不易确定，因此众多学者对锚杆支护的边坡稳定性进行了深入研究。其中D.Y.Zhu 等[1]认为锚固力不应作为集中力来进行计算，锚固力应根据实际情况，按照一定的算法将其合理的分布于滑移面。熊文林等[2]研究发现锚杆的方向角对支护效果影响较大，并根据相应算法给出了锚杆倾角的取值范围。Zienkiewicz O C 等[3]最早通过强度折减法对边坡的稳定性进行数值模拟分析。随后，宋二祥[4]基于强度折减法分析边坡的安全系数，发现以强度折减法为算法基础能较好地对边坡稳定性进行分析。朱焕春[5]对三峡工程边坡锚固进行分析发现，锚杆的变形一定程度上受到锚杆直径的影响。近年来，FLAC3D 成为边坡工程主要数值模拟软件。由于岩土体本身性质的复杂性，不同区域的岩性存在较大差异，会对锚杆支护方案的确定产生较大影响，因此文章总结前人对边坡的稳定性分析成果，以具体的工程为例，对其进行FLAC3D 数值模拟，分析开挖前后安全系数，并提出相应的支护方案。

1 强度折减法求解安全系数

采用强度折减法对边坡进行稳定性分析逐渐成为数值模拟和实际工程研究的重点，结合有限差分法的强度折减法能够模拟岩土体和支护结构（锚杆、锚索、土钉等）的共同作用。对于Mohr-coulomb 破坏准则来说，安全系数F 求解主要由下列公式求解。

2 工程概况

某高速公路旁边坡开挖后形成四级土石质边坡，边坡所在地区风化较为严重，开挖前是一个较长的缓坡，开挖后边坡高度约为32m，其中一级边坡坡率为1 ∶0.25，二级到三级边坡坡率为1 ∶1.25，四级边坡坡率为1 ∶1.8。岩土体大致分为4 层，最上层土层为红黏土，其整体性较差；红黏土下层为强风化红砂岩，厚度为8.0 ～10.0 m；中风化红砂岩是第三层，其中少量泥岩夹杂其中，厚度8.0 ～15.5m；第四层砂岩整体性较好，强度相对较高。

3 支护前数值模拟分析

3.1 模型参数

FLAC3D 在岩土工程的计算中具有优越性，但由于对一些较为复杂工程的模型建立较为复杂，因此，文章采取ANSYS 协助建立边坡模型，FLAC3D 模型的建立具体操作如下：首先利用AutoCAD 制作边坡的比例图，然后将得到的文件导入到ANSYS 完成模型建立和网格划分，最后运用FLAC3D-ANSYS 连接程序输出可在FLAC3D 中运行的文件，并通过FLAC3D 数值模拟软件导入完成最终的模型。计算模型土体参数如表1 所示。其中体积模量和剪切模量可通过弹性模量和泊松比计算所得。

3.2 开挖后边坡稳定性分析

对开挖边坡现场进行监测，主要对其位移变化进行统计，通过绘图软件绘制监测点位移曲线，并与所作数值模拟结果进行对比分析，与所建立FLAC3D 数值模型计算结果相符合。

边坡开挖后，在地应力的作用下，水平方向的位移在边坡坡脚位置达到最大值为13mm，在地应力作用下上方坡体垂直位移明显大于下方边坡底角及基岩位移，且主要变形集中于红黏土层、强风化红砂岩层，这是造成边皮不稳定的主要因素。

坡体的滑移对坡脚的附加荷载，导致其成为受应力最大区域。在中风化红砂岩层与风化程度较低红砂岩分界面处应力有一个明显激增的现象。垂直方向应力云图可知，在重力场的影响下，应力等值线基本与边坡坡度平行。

由上可知，红黏土层及风化岩层的存在对边坡稳定性存在威胁，此时，边坡安全系数为1.25。岩层分界面形成潜在滑动面，由于该边坡坡脚较陡，且岩层倾角较大，边坡稳定性系数较小。因此，需对开挖后边坡进行支护。

3.3 边坡支护方案的确定

边坡支护方案设计中主要考虑锚杆的长度、角度，根据规范要求，锚杆长度需要超过潜在下滑面1.5m 作为设计的基本要求，其中锚杆参数如下表2 所示。

表2 锚杆参数

由于锚杆的射入角对边坡稳定性影响较大，因此，主要考虑不同锚杆角度对边坡支护稳定性的影响，锚杆倾角按式（3）计算。

根据计算结果，文章选取不同锚杆角度（5°、15°、30°和45°）的支护方案进行对比。

3.4 结果分析

由强度折减法计算得到的安全系数如表3 所示。由表3 可知，锚杆能较大程度的增加边坡的稳定性，且不同锚杆倾角支护下边坡的安全系数有较大的差异，其中当锚杆角度为5 ～30°时，随着角度的增加，安全系数从1.33 逐渐增加至1.68；当锚杆角度为30 ～45°时，随着角度的增加，安全系数有所下降，因此文章要着重对锚杆角度为30°时的支护方案进行进一步讨论。

锚杆将分层的岩土体重新连结成一个新的整体，锚杆存在应力集中现象，从一定程度上延缓了滑坡面的滑移，起到了增韧止裂的效果，当锚杆角度为30°时，抗滑移能力达到最大值，因此其安全系数最高。

表3 边坡力学物理参数

垂直方向应力云图可知，在自重应力作用下，相比于未加固边坡，锚杆加固后边坡应力分层现象减弱。由此表明，潜在下滑面由于锚杆的射入而减弱，但由于红黏土层与锚杆之间摩擦系数较小，导致锚杆支护后边坡虽然稳定系数达到要求，但红黏土层仍存在潜在危险，需对其进行二次支护，防止其在雨水的冲刷下发生滑坡现象。

4 结论

文章采用强度折减法对开挖后边坡进行数值模拟分析，并对不同锚固方式对边坡稳定性的影响进行进一步分析，主要得到以下结论：

（1）由于原有边坡风化程度较为严重，边坡开挖后，坡脚所受应力过大，边坡安全系数较小，因此需对其进行支护。

（2）边坡锚杆角度的变化对边坡稳定性影响较大，随着入射锚杆角度的增加，安全系数呈现先增加后降低的变化趋势，当锚杆入射角度为30°时，安全系数达到最大值。

（3）锚杆支护后边坡形成锚固体，应力集中现象主要集中于锚杆位置，当锚杆角度为30°时，锚杆与边坡角度接近垂直，锚杆的抗剪切性能达到最大。