锚固力学效应对高边坡稳定性影响分析

许 容 刘慧明

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥246003）

1 概述

锚固效应研究通过锚固岩土体的物理效应、力学效应和结构效应来体现。锚固主要有两种作用，即对围岩表面提供反力以约束岩体向临空方向的变形，以及使岩体一体化的加固作用，提高岩体的稳定性。

2 高边坡工程地质概况

该边坡位于云南省昭通市，构造主要受北西向和近南北向构造控制，区域地质构造背景十分复杂。区内地势总体北高南低，为滇西纵谷山原区地貌单元，地形切割强烈，相对高差一般为1500-3200m。该边坡布置于大关河右岸，山坡陡峭，地形坡度一般为30～700，属于中高山侵蚀型谷坡地貌。

3 数值模拟

计算采用的是Geo-Slope 公司研制的一个计算边坡稳定性的模块slope／w，采用了极限平衡的方法，对边坡体进行条分，自动搜索确定滑动面，求出毕肖普条分法、摩根斯坦-普拉斯条分法（摩根法）下的坡体稳定系数。

暴雨工况模拟：边坡所在地区24h 最大降雨量小于200mm。本次计算采用的降雨强度为200mm/d 作为暴雨状况的计算依据。

地震工况模拟：本项目计算中地震动参数计算标准按50 年超越概率5%时对应的基岩峰值加速度为0.16g，本报告按拟静力法进行计算。

图1 开挖边坡计算模型

4 锚固的力学效应分析

岩土锚固的力学效应反映在施加预应力之后，可引起围岩应力的二次分布，从而提高了岩体的刚度，根据对多点的位移的观测，锚索在张拉锁定后，岩体的压缩效应有延时和继续增强的现象。岩质边坡的开挖将使应力产生重分布，引起岩坡表层的松弛张裂，而预应力的施加部分恢复了原有的应力，从而使岩体的完善性增加，轻度提高。已有研究表明：锚索最大抗滑力的大小只与锚固力和滑裂面摩擦角切有关, 它的实现则取决于锚固角、锚固角与锚索的锚固效应、材料成本等与都有较大的关系，而且锚固角的选取若不合理可能导致锚索的阻抗力迅速下降，因而锚固角的优化设计在锚固设计参数优化计算中显得尤为重要。

4.1 锚索与水平方向的夹角关系分析

本节将分别计算锚索与水平方向夹角呈0°、5°、10°、15°四种情形各工况下的安全系数，并分析其滑动面。锚索与水平方向的夹角变化时临界滑动面图如所示（篇幅有限，仅显示正常工况下0°、15°临界滑动面图），各工况下稳定性计算结果表见表，锚索加固边坡计算得出的最小安全系数见表：

图（b）15°锚索正常水位临界滑动面图

表1 锚索与水平方向0°夹角下各工况稳定性计算结果表

表2 锚索与水平方向5°夹角下各工况稳定性计算结果表

表3 锚索与水平方向10°夹角下各工况稳定性计算结果表

表4 锚索与水平方向15°夹角下各工况稳定性计算结果表

表5 锚索与水平方向的夹角变化时计算得出的最小安全系数

从上表中可得出：在未加固时，本文方法计算得出的最小安全系数毕肖普法为0.903，摩根斯顿- 普赖斯法为0.908；锚索最优化加固角时（通过计算得出其最优化加固角θ=10°），毕肖普法安全系数为1.646，摩根斯顿- 普赖斯法为1.436。加固边坡相对于未加固边坡，其计算得到的安全系数变大，可说明锚索对边坡的稳定性起到了改善作用。当锚索与水平方向的夹角θ=10°时，其计算得到的安全系数最大，说明本文以锚索对边坡稳定性提供的抗滑力最大来求最优化加固角的方法是可行的。锚索设置角度对岩石边坡的稳定性有重要影响,随着锚索设置角度越大,边坡的抗滑稳定性越低,而边坡的抗倾覆稳定性系数呈现先增大后减小的趋势，锚索设置角度过大将减小锚固作用的有效性,工程中必须考虑到锚索设置角度的问题，使锚索加固的有效性和合理性提高。

4.2 内摩擦角变化时最优锚索加固角加固边坡分析

当内摩擦角变化时，其最优锚索加固角加固边坡计算得出的最小安全系数见下表：

表6

f 从表中可知： 本文方法计算得到的最小安全系数毕肖普法为1.172，摩根斯顿- 普赖斯法为1.175；,随着内摩擦角笋的增大，其锚索最优加固角发生变化，也可知锚索最优加固角与内摩擦角切有较大的关系。

4.3 内摩擦角变化时最优锚索加固角加固边坡分析

当锚索加固位置发生变化时,其最优锚索加固角加固边坡计算得出的最小安全系数见表7。

表7

从上表可知：本文方法计算得到的最小安全系数随着锚索加固位置的上移,其锚索最优加固角发生变化且变小,也可知锚索最优加固角与锚索所在土条底面位置时的土条底面切线方向与水平方向的夹角有较大的关系,同时,随着锚索加固位置的上移,其锚索与滑动面的接触点也上移,而滑动面土条底面切线方向与水平方向的夹角处在滑动面位置越靠近坡顶越大, 故锚索最优加固角直接与锚索加固位置有关。

5 结论

上述实例计算可以充分表明：对于任意曲线形滑裂面,确定锚索的最优加固效果并不能通过单独对锚索安设部位、设置倾角、设置长度等参数进行设计计算而获得工程实践中,为获得最优锚固效应、最低工程造价和易于施工操作,需要从整体上对整个边坡锚固系统的锚固效应及经济造价并结合施工难易程度进行多元参数分析,以求达到锚固效应、工程造价和施工方便等多方面的平衡。