基于强度折减法的多锚加固边坡稳定性分析*

2020-06-09傅建红沈兴沉

工程技术研究 2020年7期

傅建红，刘泽，陈高，沈兴沉

（1.浙江交工宏途交通建设有限公司，浙江杭州 310051；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201；3.浙江交工国际工程建设有限公司，浙江杭州 310051）

山区高速公路的修建，常常伴随有高挖深填的现象，从而造成了大量的人工边坡和次生边坡，保证这些边坡的稳定性是道路安全运行的前提。在边坡支护结构中，锚杆框格梁是常用的结构形式之一[1]。锚杆通过发挥其自身的高强度特性将破碎围岩和深层岩体紧密结合在一起，从而提高了边坡整体的稳定性。在锚固体系中，锚杆发挥着极其重要的作用，同时锚杆参数的选取也直接影响着边坡的支护效果。

目前有很多学者对锚杆加固边坡的稳定性进行了研究：李忠[2]针对土质边坡的破坏模式，采用极限平衡法对锚杆加固边坡的稳定进行了研究，建立了边坡最危险滑动面的搜索模型，并给出了边坡滑裂面中心所处位置与稳定系数之间的函数关系。孙国栋[3]针对冻土边坡的特点，通过考察冻土边坡的滑移实例及其破坏形式，提出了高陡边坡的冻融折线型滑移面，在考虑冻融循环下坡体损伤、坡体渗流及温度变化三种影响因素下，给出了冻土区域锚杆加固边坡的稳定性计算方法。张妙芝[4]研究了地震作用下锚固边坡的稳定性变化规律及锚杆预应力的动力响应规律，指出地震作用下，作用于边坡不同位置处的锚杆其动力响应具有很大的差别，坡顶处锚杆的动力响应较大。韩爱民[5]结合实际工程，采用数值模拟研究了锚固边坡锚杆的力学行为，对支护体系和加固坡体之间相互作用的空间力学效应进行了研究。这些研究为锚固边坡的设计提供了充分的理论依据，对工程施工具有很好的指导意义。

为进一步研究多锚加固边坡的加固效果，文章结合郑西（郑州至西峡）高速公路EK1+640断面深路堑边坡的施工，采用FLAC3D建立数值分析模型，基于强度折减法对多锚加固边坡的稳定性进行分析，以讨论锚杆参数对深路堑边坡稳定性的影响。

1 工程背景与分析方法

1.1 工程背景

为研究多锚加固深路堑边坡的稳定性，依托工程郑西（郑州至西峡）高速公路EK1+640断面深路堑边坡为背景建立数值分析模型。EK1+640断面深路堑边坡高70.6m，分七级进行开挖，每级边坡开挖深度为10m。首先对单级边坡的稳定性进行分析，以底部一级边坡为例，将该级边坡上部岩土体转换成等效荷载进行计算，如图1所示。该级边坡采用锚杆进行支护，边坡坡率为1∶0.75，每根锚杆长9m，锚孔为直径为90mm，锚杆间垂直间距为2m，锚杆与水平方向的夹角为20°。

图1 EK1+640深路堑边坡底部一级断面图

1.2 模型建立

采用FLAC3D建模，并基于强度折减法进行边坡稳定性分析。数值分析模型依照EK1+640断面深路堑边坡底部一坡断面按1∶1建立，如图2所示。为便于计算，沿路线方向取y=6m。锚杆采用FLAC3D自带的锚索单元（cable）模拟，框格梁采用梁单元（beam）模拟，梁截面尺寸为200mm×200mm，框格梁垂直间距为2m，沿路线方向间距同样为2m。模型计算前，固定模型底部节点所有方向的速度，以及固定前后侧面节点x方向速度和左右侧面节点y方向速度，只留坡面和模型顶面作为自由面。边坡岩土体、锚索和梁的力学参数表如表1、表2、表3所示。

2 计算结果分析

2.1 锚杆加固效果

锚杆加固前后边坡的水平位移云图如图3所示。由水平位移云图可知，锚杆加固前，边坡的水平最大位移出现在坡体内部，这和分级开挖时边坡顶部等效均布荷载的分布特点有关。锚杆加固后，面坡处的水平位移有明显下降，坡体内部的最大水平位移场向锚杆作用范围内进行了延伸，这主要是因为在锚杆的作用下，沿锚杆长度范围内的岩土体和深层岩体联系在了一起，在边坡顶部等效均布荷载的作用下，深层岩体产生较大的水平位移的同时，锚杆长度范围内岩土体的水平位移也同样有所增加。

图2 单级锚杆支护边坡分析模型

表1 边坡岩土体的力学参数

表2 锚索单元的力学参数

表3 梁单元的力学参数

图3 锚杆加固前后边坡水平位移云图

锚杆加固前后边坡的水平应力云图如图4所示。由水平应力云图可知，锚杆加固前，边坡的最大水平应力约为0.43MPa，面坡处最大水平应力约为5.38kPa。锚杆加固后，由于边坡进行锚杆框格梁加固后，锚杆、框格梁二者共同发挥作用，锚杆作用范围内岩土体的刚度增大，使得面坡处岩土体的应力状态发生改变，尤其对于水平应力而言，在锚杆作用下锚杆端部岩土体产生一定范围的压应力区，这在很大程度上增加了边坡的稳定性。

图4 锚杆加固前后边坡水平应力云图

锚杆加固前后边坡剪应变增量云图如图5所示。由图5可以知道，由于仅考虑了岩土体的自重荷载（坡顶等效均布荷载也为上级各边坡的自重荷载转换而来），因此荷载大小小于坡体的极限荷载，锚杆加固前后边坡的最大剪应变区均没有形成贯通的滑裂面，但是坡体内部潜在滑裂面的位置发生了变化。同时还可以看到，锚杆加固前边坡的稳定性系数为1.41，锚杆加固后边坡的稳定性系数为1.6，锚杆的加固作用明显提高了边坡的稳定性。

2.2 锚杆参数对边坡稳定性的影响

（1）锚杆安装角度的影响。保持锚杆原安装参数不变，仅改变锚杆的安装角度，分别取锚杆安装角度为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°对锚杆加固边坡进行计算，以分析锚杆安装角度对边坡加固效果的影响，探讨安装锚杆的最优角度范围。锚杆不同安装角度时边坡稳定性系数如图6所示。与未进行锚杆加固的边坡稳定性系数相比，无论锚杆安装角度为多大，采用锚杆加固后边坡的稳定性均有明显的提高。对图6进一步分析可知，当锚杆安装角度为5°时，加固后边坡的稳定性系数最低，为1.54；当锚杆安装角度为30°时，加固后边坡的稳定性系数最高，为1.63，随后随安装角的增加而减小。可见，锚杆的最佳安装角度应为20～30°。

图5 锚杆加固前后边坡剪应变增量云图

（2）锚杆长度的影响。保持锚杆原安装参数不变，仅改变锚杆的长度，分别取锚杆长度4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m对锚杆加固边坡进行计算，以分析锚杆长度对边坡加固效果的影响。锚杆不同长度时边坡稳定性系数如图7所示。可以看到，进行锚杆加固后边坡的稳定性系数均大于未支护边坡的安全值1.40。当锚杆长度小于8m时，加固后边坡的稳定性系数均不超过1.57，加固效果并不明显。可见，锚杆的安装长度应不小于8m。