路堑高边坡锚索格梁支护体系受力特征及设计方法研究*

苏红军，姜早龙，陈大川，李 荷

(1.中交第三公路工程局，北京 100102；2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082；3.湖南湖大建设监理有限公司，湖南 长沙 410082)

0 引言

随着交通基础设施的快速发展，高速公路网不断向山区延伸[1]。在山区公路建设中，常常存在土质挖方边坡高度大于20m或岩石挖方边坡高度大于30m的路堑高边坡[2]。与普通边坡相比，高边坡岩土体的重力势能较大，具有从高处向低处滑动的趋势，一旦失稳会产生滑坡、塌方等突发性灾害，造成极大伤害[3-4]。

预应力锚索格梁支护体系对路堑高边坡具有较好的治理效果[5]。近年来，不少学者对锚索格梁支护体系进行了相关研究，赵久欢[6]结合实际案例研究了锚索格梁支护体系的固坡机理。ZHANG等[7]研究了锚索格梁支护体系的抗震性能。LI等[8]建立预应力锚索格梁张拉阶段的力学模型，研究了格梁内力的分布规律。王渭明等[9]对锚索预应力损失情况进行了研究。此外，也有学者关注锚索格梁体系在具体应用中存在的问题，并提出相应的质量控制要点[10-11]。

现有研究成果多集中在锚索格梁支护体系的构件受力特征或施工应用方面，少有学者关注锚索设计参数对边坡稳定性的影响。同时，目前的锚索格梁支护结构设计大多依靠以往经验，理论和规范依据不足，具有一定的盲目性。基于此，本文以湖南省某高速公路路堑高边坡工程为依托，结合有限元模拟软件FLAC3D，建立三维数值模型，并分析了锚索间距、锚固角度、锚固长度等设计参数对锚索格梁支护体系受力特征及边坡稳定性的影响。

1 工程概况

某高速公路项目位于湖南省中部，全长7.47km。全线采用四车道高速公路标准建设，K0—K27+455段设计速度为100km/h，路基宽26.0m；K27+455至终点段设计速度为80km/h，路基宽25.5m。项目路线走廊带穿越雪峰山腹地，沿线地形起伏大，斜坡自然坡度为25°～35°，最大边坡高度约40m。

1.1 工程地质条件

边坡主要为强风化花岗岩、全风化花岗岩、粉质黏土，属土岩质边坡。坡向与岩层倾向呈小角度相交，为层状同向结构。坡体中强风化岩节理裂隙较发育、碎石抗冲刷能力较差。施工扰动可能产生顺层滑坡、小规模坍塌或碎落等现象。

1.2 边坡支护方案初步设计

根据初步支护方案，路堑边坡设计采用四级台阶式，上缓下陡，每10m一级，自下而上坡度分别为：1∶0.75，1∶1，1∶1，1∶1.25，平台宽2m。第1级边坡采用格梁锚杆植草防护，锚杆设计张拉力为100kN，长10m，锚固长度为4m；第2级边坡采用锚索格梁防护；第3级边坡采用人行骨架植草防护；第4级边坡采用三维网植草防护。为降低锚索设计难度、减少优化变量个数，对第2级边坡的锚索格梁设计参数进行分析与优化。

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

根据边坡支护相关理论和文献[12]，做出如下假定。

1)土体为均质、各向同性的连续体，符合莫尔-库仑屈服准则，其材料参数满足莫尔-库仑本构关系。

2)视边坡问题为平面应变问题，不考虑坡长对计算结果的影响，在最大坡高处取16m宽为研究对象。

2.2 参数选取

各岩土层关键参数由现场取样试验确定，具体数值如表1所示。

表1 各岩土层力学参数

模型材料包括锚索、锚杆、格梁等。预应力锚索弹性模量为19.5×104MPa，抗拉强度为1 860MPa，锚固段采用M30水泥砂浆，设计张拉力为550kN；预应力锚杆弹性模量为20.0×104MPa，抗拉强度为340MPa，黏结砂浆为M30水泥砂浆，设计张拉力为120kN；钢筋混凝土格梁采用C30混凝土，横截面尺寸为0.4m×0.4m，弹性模量为3×104MPa，抗压强度为20.1MPa，抗拉强度为2.01MPa。

2.3 模型建立

采用有限元软件FLAC3D建立边坡三维数值模型，模型尺寸为84.75m×12m×50m(长×宽×高)。岩土体采用8结点六面体单元和6结点楔形体单元模拟，锚索采用cable单元模拟，钢筋混凝土格梁采用beam单元模拟。模型底部施加固定约束，其他自由面施加法向位移约束。模型共39 040个结点，34 965 个单元，如图1所示。

图1 边坡三维数值模型

3 边坡稳定性的影响参数分析

由相关研究[13]可知，锚索设计参数对锚固效果有显著影响。因此，本文以实际工程为依托，构建三维数值模型，研究锚索间距、锚固角度、锚固长度等不同参数下锚索格梁支护体系的受力特征及边坡稳定性变化规律。

3.1 边坡稳定性分析方法

采用强度折减法计算边坡安全系数，进行稳定性分析。边坡安全系数为岩土体实际抗剪强度与临界破坏时折减剪切强度的比值，表示边坡刚好达到临界破坏状态时，岩土体抗剪强度的折减程度[14]。本文主要通过折减岩土体的黏聚力和摩擦角，根据式(1)，(2)进行安全系数计算。

(1)

(2)

式中：ctrial为折减后的黏聚力；φtrial为折减后的内摩擦角；Ftrial为安全系数。

参考GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[15]，结合本工程实际情况，确定边坡稳定安全系数为1.3。根据安全系数Fs，将边坡稳定性状态分为不稳定(Fs<1.00)、欠稳定(1.00≤Fs<1.05)、基本稳定(1.05≤Fs<1.3)和稳定(Fs≥1.3)4种状态。

3.2 天然边坡稳定性分析

对无支护天然边坡的整体稳定性及各方向位移进行模拟分析，并利用强度折减法对开挖后边坡的安全系数进行计算，结果如图2所示。

图2 无支护状态下边坡的数值分析结果

由图2可知，无支护状态下，边坡最大水平位移为83.1cm，位于坡体底部；边坡最大竖向位移为33.9cm，位于坡体顶部；边坡潜在滑动面贯穿整个自由边坡面，且滑动面外侧区域各网格点的位移速度、位移量明显大于其他区域。同时，经计算可得边坡安全系数Ftrial仅为1.08，安全系数较低，边坡未达到稳定状态，需采取加固措施进一步加强边坡稳定性。

3.3 锚索间距影响性分析

为研究锚索间距对格梁受力与边坡稳定性的影响，在2级边坡建立锚索格梁体系，设置3，4，5，6m 4种锚索间距工况，通过数值模拟得到不同锚索间距下的安全系数与格梁弯矩值，如表2所示。

表2 不同锚索间距下的安全系数与格梁弯矩

由表2可知，锚索间距由6m减小到5m时，安全系数增幅较大，边坡由基本稳定状态变为稳定状态。锚索间距<5m时，缩小锚索间距对边坡整体稳定性影响不大。格梁负弯矩基本大于正弯矩；锚索间距对格梁弯矩值影响较大，锚索间距为5m时，格梁负弯矩达到最大值，为94.81kN·m，此时格梁处于最不利受力状态。综上，锚索间距设计应小于5m。

3.4 锚固角度影响性分析

GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中规定预应力锚索锚固角取值范围为15°～35°[15]。为研究锚索锚固角对边坡稳定性及格梁受力的影响，结合工程实际，设置15.0°，20.0°，22.5°，25.0° 4种预应力锚索锚固角工况，模拟得到不同锚索锚固角下的安全系数与格梁弯矩，如表3所示。

表3 不同锚索锚固角下的安全系数与格梁弯矩

由表3可知，锚索锚固角度在15°～25°时，边坡安全系数变化幅度较小，但均大于1.3，满足稳定性要求，表明锚固角度的改变对边坡稳定性影响较小。锚固角度由15°增加到22.5°时，格梁正弯矩略有增加，负弯矩明显减小；当锚固角度由22.5°增加到25°时，格梁正弯矩减小，负弯矩增大。综上，最优锚固角度为22.5°，此时格梁负弯矩值最小，为68.09kN·m。

3.5 锚固长度影响性分析

锚索的锚固长度是影响锚索极限承载力及边坡防治效果的重要参数。结合工程实际，设置6，8，10，12m 4种锚固长度工况进行模拟，得到不同锚索锚固长度下的安全系数与锚索极限轴力，如表4所示。

表4 不同锚索锚固长度下的安全系数与锚索极限轴力

由表4可知，随着锚索锚固长度增加，边坡稳定性略有改善，但影响较小。锚索锚固长度对锚索受力特征影响较明显，随着锚索锚固长度的增加，顶层锚索的极限抗拉力得到显著提高，中层与底层的锚索极限抗拉力呈减小趋势。当锚固长度增加到10m后，顶层锚索的极限抗拉力增幅不再显著。

4 锚索格梁支护体系设计与验证

4.1 支护方案设计

基于锚索格梁支护体系设计参数影响性分析结果，确定本工程第2级边坡锚索格梁体系的支护方案设计参数，即锚索间距4m，锚固角度22.5°，锚固长度10m，预应力锚索设计张拉力为550kN。建立有限元数值模型，如图3所示。得到边坡岩土体的最大剪应变速率，如图4所示。

图3 实际边坡数值模型

图4 边坡数值模拟结果

由图4可知，与无支护天然边坡相比，采用锚索格梁支护设计方案后，边坡滑动整体上移，且滑动面范围显著缩小，并由沿整个坡面滑动变为沿3,4级边坡滑动，边坡整体稳定性有明显提高。

4.2 监测数据验证

为检验设计边坡的实际稳定性，施工完成后进行现场监测，测点布置如图5所示，监测结果如图6所示。

图5 边坡锚索索力和位移监测点布设

图6 锚索索力和边坡土体位移变化曲线

由图6可知，实际锚索索力在1年监测期内较稳定，无索力突增现象；钢筋混凝土格梁无开裂现象；监测初期边坡土体位移变化幅度较大，随着时间的推移，土体位移变化速率显著减小，在7个月后趋于稳定，此时坡体深部最大位移速率、地表最大位移速率均小于2mm/d，在允许范围内。综上，高边坡支护设计方案是可行的，可确保高边坡的长期稳定与安全。

5 结语

锚索格梁支护体系参数的正确设计是保证路堑高边坡治理效果的关键。现有设计较多依靠前人的经验与总结，缺乏理论性与系统性。因此，亟需引入新设计方法来确保边坡的安全性及稳定性。以湖南省某高速公路路堑高边坡工程为依托，基于FLAC3D软件建立路堑高边坡锚索格梁支护体系的有限元模型，研究不同设计参数下锚索格梁支护体系的受力特征及边坡稳定性，据此提出最优设计方案并验证了支护效果，具体研究结论如下。

1)锚索间距对边坡稳定性影响较大，锚固角度、锚固长度对边坡稳定性影响较小，且建议锚索间距设计应小于5m。

2)锚索间距、锚固角度的改变对混凝土格梁受力特征有显著影响，在锚索格梁体系设计中起控制作用。

3)锚固长度改变对锚索的受力特征有显著影响，随着锚固长度的增加，顶层锚索的极限承载力得到显著提高，但增加到10m后效果不再明显。因此，建议锚固长度设计不超过10m。

4)通过数值模拟分析各参数的影响规律，确定支护设计方案，可充分发挥锚索格梁体系的优势，有效克服传统设计的弊端，提高边坡稳定性与安全性。