某均质岩层边坡预应力锚索加固稳定性分析

牟 丹

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在边坡治理工程中应用预应力锚索来加固边坡，锚索可以在地层中产生张拉应力，达到稳定边坡的效果。在锚索施加较高预应力的过程中，对欲加固的基层岩土稳定性具有较高的要求[1]。在具有较强稳定性的基层岩土上施加预应力锚索可以有效地保证其稳定性，提高结构的密实度。施加预应力锚索也可以有效地保证岩土体的承载能力，利用其强度可以有效地降低支护结构的自重。因此，边坡治理工程利用预应力锚索加固边坡可以在多方面来提高边坡的稳定性，降低边坡坍塌的可能性。由于在治理过程中制作预应力锚索材料的廉价性和方便性，产生的经济效益较明显，所以预应力锚索在现在的施工中应用较为广泛。利用FLAC3D有限元软件进行预应力锚索加固边坡的数值模拟，以此来研究其对边坡稳定性的影响。

1 岩土边坡锚固技术基本原理

预应力锚索加固技术作为一种主动加固手段，其可以改善边坡表面岩土体的应力状态，达到限制岩土体变形的效果，从而提高边坡的稳定性。由于预应力锚索加固效果非常明显，现在已被很多的边坡治理工程所证实[2-4]。锚索是通过钻孔及注浆使钢绞线锚固在较深岩土层中的一种受拉杆件结构，张拉钢绞线产生较大的张拉预应力来限制被加固岩土体的变形和保证其稳定。

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预应力锚索加固技术是边坡治理工程中的一种比较普遍的加固手段。通过锚索在被加固的岩土体部位产生预压应力和拉应力，使锚索紧密接触的岩土体处产生一定的摩擦力，以此削弱岩土体的下滑力限制滑块下滑的发生，从而达到加固边坡的作用[5-8]。

另外，预应力锚索分割斜坡软弱的结构面后，在被加固的岩土体部位形成许多彼此相互连接的板状块体结构，此时这些板状块体结构连接形成一个共同的整体，有效地改善了边坡的稳定性，从而达到了加固的作用。综合分析预应力锚固技术对边坡进行加固，主要表现在以下几个方面：

(2)利用锚索的加固作用，来增加岩土体边坡下滑部位附着力，表现出岩体在下滑的过程中接触面上的摩擦力得到了一定的提高，从而减少了边坡失稳的可能性。

(1)利用锚索的预应力来抵消一部分下滑岩体的自身重量，抑制岩体下滑的发生。在此过程中，由于下滑岩体的自身重量得到了降低，导致下滑力下降，使边坡维持其稳定状态。

所采用的模型为均质岩层，采用六面体网格建立，x方向长为20m，y方向长为3m，z方向最高为13m，模型中施加8根预应力锚索。锚索预应力为60kN,锚索的基本参数如表1，模型一共划分1047单元，共有1560个节点。由于所模拟的是松散、胶结的岩土体，所以采用摩尔库伦塑性模型和弹性模型，岩土体材料参数如表2。

2 数值模拟

2.1 模型的确定

(3)利用锚索的串联作用，使岩土边坡的岩体连接为一个整体，被加固边坡部位的抗剪强度和整体刚度得到了相应的增加，使下滑岩体的变形得到了抑制，提高了边坡的稳定性。

图5(a)、图5(b)为两种状态下的最大主应力云图，从最大主应力数值的对比可见在坡面上未支护状态下的主应力较大，其值为8.13e+3，坡面上基本为拉应力，促进坡面的下滑；而支护状态下坡面的最大主应力为-3e+4，坡面上基本为压应力，起到稳定坡面、增大下滑面上摩擦力的作用。由此可得坡体打入预应力锚索，坡面上的最大主应力方向发生了改变，由原来的拉应力变化为压应力，使坡体处于安全的状态。由此可说明预应力锚索加固作用为增加滑面上的压应力。图5(c)、图5(d)为两种状态下的剪应力云图，从剪应力的数值上可以明显地发现，在支护状态下坡面上的剪应力变大。未支护状态下的坡面剪应力最大为2.5e+4，起到促进坡面下滑的作用，而支护状态下的坡面剪应力最大值为-3e+4，抵消下滑力。可见在坡体打入锚索其剪应力方向发生了改变，由原来的沿下滑方向变为与下滑力方向相反，因为边坡的倾角α为45°，锚杆打入坡体的角度为45°，与90°-α相等，所以预应力锚索产生的抗滑力沿坡面向上，起到抵消下滑力的作用。这也说明了预应力锚索加固机理的另一方面，即提供一定的抗滑力。

表1 锚索基本参数

表2 岩土体基本物理参数

2.2 模型约束条件

通过建立边坡数值计算模型，在模型中施加一定数量的预应力锚索，对比分析未施加预应力锚索的边坡和施加预应力锚索的边坡的总位移云图、x方向位移云图、z方向位移云图、剪切应变增量云图、应力云图和塑性云图来研究锚索的作用效果，主要得到以下结论：

通过图2中未支护状态下和支护状态下的总位移云图可以得到，位移最大值分别为0.45cm和0.125cm，最大位移值发生的部位分别为坡脚和坡脚靠上部位。但是从整体的位移最大值对比可以发现，在边坡打入预应力锚索后，其位移值明显减小，减小率为75%，可见预应力锚索对于边坡总体变形的改善还是挺明显的。对比图2(c)、图2(d)两种状态下的x方向位移云图，其沿x负方向最大位移值分别为0.42cm和0.094cm，x方向最大位移值减小率为77.67%。对比图2(e)和图2(f)两种状态下的z方向位移云图，其沿z方向最大位移值分别为0.16cm和0.624cm，z方向位移值减小率为62.18%。由最大总位移减小率、x方向最大位移值减小率和z方向最大位移值减小率综合分析可知，预应力锚索对于x方向的变形约束较明显，对于边坡z方向的位移约束，反应出对边坡沉降的改善也是较明显的，这正是起到抑制边坡滑塌的作用。

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图1 数值分析模型

3 结果分析

3.1 位移分析

在模拟锚索单元时，利用先删除再创建的方法来生成link，以此来模拟预应力锚索端部的托盘，即先删除锚索单元与实体单元之间在锚索端部所自动生成的连接，然后再用刚性连接索代替来模拟实际的托盘效果。锚索所采用FLAC3D的cable单元进行模拟，锚索可分为自由段和锚固段，两端所设置的相关锚固参数不同，在自由段施加预应力。

图2 支护前后位移云图

3.2 剪应变增量分析

由图3可以发现，边坡在坡脚处剪应变增量较大，其值为4.943e-3，此时破裂面从坡脚已经向坡顶贯通，边坡已发生破坏。图4为支护状态下的剪切应变云图，可以发现边坡最大的剪切应变增量为1.098e-3，由于已经在坡体内打入了预应力锚索，所以此时的边坡滑动面云图已经发生改变，即滑动面已消失，但是在坡脚处剪切应变增量还是较大的。综合分析图3和图4，两种状态下的剪应变增量显然不同，未支护状态下的剪切应变增量值较大，可见支护可以减小坡体的剪切应变，使增量大概减小77.79%。基于此预应力锚索对于提高边坡的抗剪切强度有较明显的作用，也印证了传统条分法和传递系数法的结论：预应力锚索对于边坡的加固机制其中之一的方面，即预应力锚索在破裂面上提供了较大的压应力，由此提高了坡体滑裂面的抗剪强度。

第三步，风险预估计。根据预评价样本资料计算事故频率, 结合等级评定的风险损失后果，由事故风险=事故概率×损失后果，以及查阅表2～3来确定事故概率和预估计风险矩阵[18]，逐项评定风险级别。

图3 未支护剪切增量云图

图4 支护剪切增量云图

3.3 应力分析

建议：对“健康”患者采用中度限制输液，对高危患者采用目标导向输液；对极端头低脚高位体位患者应限制输液，但恢复体位后应注意容量补充。

图5 应力云图

3.4 塑性对比

图6和图7分别是有无支护状态下的边坡塑性云图，从剪切区的分布上来看，在未施加预应力锚索的边坡一直处于剪切状态的土体分布主要在下滑面处，发生剪切的部位较多，发生剪切后稳定的部位占绝大部分。而在打入预应力锚杆的边坡体中，发生剪切的部位较少，况且坡体一直处于剪切状态的部位主要集中在坡脚外，这样有利于坡体的稳定。由此再次说明了在坡体中施加支护结构可以很好地约束其变形。

图6 无支护塑性云图

图7 支护塑性云图

4 结语

根据实际情况所建立的模型，在底部为全部约束，左侧和右侧为水平方向位移约束，上部为自由边界。本模型所采用分步弹塑性法来生成初始应力，即首先将模型的岩土体参数的抗拉强度和粘结力赋值为无穷大，使其达到弹性阶段的平衡。然后再对其全部方向的位移和速度清零，抗拉强度和粘结力重新赋值进行塑性计算，直至达到平衡状态。

(1)预应力锚索在约束边坡位移方面，对x方向的约束较为明显，在z方向的沉降位移次之，限制了边坡沿x方向的下滑。

(2)在剪切应变增量方面，预应力锚索可以大幅度地减少边坡土体剪切应变增量，提高土体的抗剪强度。

(3)对比分析主应力和剪切应力云图可以发现，锚索可以改变边坡表面的主应力方向，使拉应力变为压应力，同时使滑动面上的剪应力的方向也发生改变，将剪应力的方向改变为沿滑动面向上。通过改变主应力和剪应力的方向提高滑面的抗滑力来加固坡体，使坡体处于稳定状态。

因子分析是将一些非常复杂的变量重组为几个新的无关复合因子的过程。公因子就是每一组变量所代表的一个基本结构。计算指标提取公因子然后建立分析模型，计算因子得分、综合得分，进行分析、评价和排名。

(4)对比有无支护的边坡模型的塑性区分布，可以认为预应力锚索改变了坡体的塑性区分布，使潜在滑动面消失。同时也使塑性区减少，为坡体的稳定提供安全储备。