某路堑高边坡预应力锚杆支护参数优化分析

韩伟华

(山西黎霍高速公路有限公司 长治市 046000)

多山地区中修路不可避免需要开挖形成高路堑边坡，边坡稳定性对道路交通安全至关重要。针对边坡的支护方式较多，有包括锚杆支护、设置抗滑桩或挡土墙，还有通过减小不稳定土体自重使边坡达到稳定状态的削坡法[1-2]，但其中最常见的支护方式还是锚杆支护方式。针对边坡支护参数的优化相关学者已有研究[3-5]，针对某路堑高边坡开挖，基于Midas/GTS有限元软件对预应力锚杆支护参数进行了优化分析研究，为类似工程开挖支护提供有价值的参考。

1 工程概况

某路堑岩质边坡地处丘陵地区，为均质边坡，土体主要以强风化碳质砂岩组成。边坡采用1∶1.2比例系数，左侧进行两级放坡，右侧一级放坡，每级坡高20m，马道宽度设置为2m，边坡断面示意图如图1所示，具体岩体参数如表1所示。

表1 岩体参数表

图1 边坡初始状态断面示意图

2 模型参数及分析工况

2.1 强度折减法

强度折减法是将土体的抗剪强度指标在外荷载不变的前提下进行不断折减，使土体处于极限平衡时的折减系数即是边坡的稳定性系数[6]。通过不断调整岩土体的粘聚力c及内摩擦角φ，将岩土体的强度参数折减Ftrial倍后得到新的强度参数(Cnext及φnext)代入有限元中进行计算，当计算得到边坡失稳时，相应的折减系数Ftrial即为边坡的稳定性系数。

强度折减法折减公式见式(1)及式(2)所示。

Cnext=c/Ftrial

(1)

φnext=arctan[(tanφ)/Ftrial]

(2)

2.2 本构模型

本次有限元计算选取弹塑性模型，德朗克-普拉格(Drucker-Prager)屈服准则[7]，其数学表达式为：

I1=σ1+σ2+σ3

(3)

式中：α和k为与粘聚力、内摩擦角相关的参数，I1为应力张量第一不变量，J2为应力偏张量第二不变量。

2.3 支护方案及相关参数

本工程采用的是预应力锚杆支护方案，其预应力锚杆组成如图2所示。

图2 预应力锚杆支护原理

预应力锚杆支护的基本原理是将锚杆锚固到深层地层中，固定后施加预应力，通过锚杆周围岩土体抗剪强度对结构物拉力进行传递，增强土层强度以使土体开挖临空面保持稳定。

2.4 数值模型建立及分析工况

利用Midas/GTS有限元软件中边坡稳定性分析模块(SRM)对边坡的初始状态稳定性进行数值分析，建立网格模型如图3、图4所示。

图3 边坡开挖过程模型

图4 预应力锚杆支护模拟

采取的支护方式的预应力锚杆支护，施加预应力值200kN，锚杆及混凝土等支护参数见表2。

表2 支护参数表

2.5 模拟工况

从锚杆长度、锚杆倾角以及锚杆水平间距三个参数对预应力锚杆支护参数进行优化分析，具体模拟工况如表3。

表3 模拟分析工况

3 数值模拟结果分析

3.1 边坡初始状态结果

图5为模拟分析得到的边坡初始状态塑性区分布图。

图5 边坡初始状态塑性区分布

从图5可以看出，此时边坡的整体塑性区分布范围较大，边坡表层存在潜在滑移土体，从坡顶位置贯穿至坡底位置，最大塑性变形为1.704×10-1，此时边坡的安全系数值为1.07，可以发现此时边坡整体稳定性较差，边坡处于接近临界失稳状态，表层土体潜在滑动面极可能存在发生边坡破坏。

3.2 预应力锚杆支护参数优化

3.2.1锚杆水平间距优化

通过分析不同锚杆长度下，锚杆水平间距对边坡稳定性的影响，分析得到不同工况下边坡的安全性系数如图6所示。

图6 锚杆水平间距对边坡安全系数影响

从图6可以看出，在相同锚杆长度下，边坡安全系数随着锚杆水平间距的增大逐渐减小，且锚杆水平间距设置大于4m后，边坡安全系数随着锚杆水平间距的增大减小幅度不断增大，最小安全系数仅为1.06，可以说明锚杆间距设置越小，锚杆布置的越密集，能够承受边坡滑移土体产生的荷载越多，单根锚杆受力相对更小，边坡的稳定性也越好，再考虑施工成本，边坡水平间距选取3～4m最佳。

3.2.2锚杆倾角优化

(1)锚杆轴力

图7为模拟分析得到的锚杆受力分布情况。

图7 锚杆轴力分布

从图7可以看出，锚杆轴力较小值均位于锚杆锚固段，且随着角度的变化锚固段轴力值变化较小，可以说明锚杆角度变化下锚杆均处于正常锚固状态。锚杆轴力最大值位于锚杆自由段，且轴力越大说明锚杆发挥的作用越大。

锚杆轴力最大值分析锚杆倾角对锚杆轴力的变化影响如图8。

图8 锚杆倾角对锚杆最大轴力影响

从图8中可以看出，锚杆倾角从15°增大至30°，锚杆轴力最大值均不断减小，在从15°增大至20°时锚杆轴力最大值减小幅度较小，当锚杆倾角从20°继续增大后锚杆最大轴力的减小幅度有所增大；当锚杆倾角增大至40°锚杆最大轴力最小。可以看出锚杆倾角在15°～20°时锚杆所发挥的作用达到最大。

(2)边坡安全系数

下面从边坡安全系数角度分析锚杆倾角参数的优化，如图9所示。

图9 锚杆倾角对边坡安全系数影响

从图9可以看出，随着锚杆倾角增大，边坡安全系数在不断减小，当锚杆倾角在15°～20°左右时边坡安全系数基本达到最大值，此时边坡稳定性最优，这与从锚杆受力角度分析得到的结论基本一致，故认为锚杆最佳倾角设置为15°～20°。

3.2.3锚杆长度优化

统计所有工况相同锚杆长度下边坡的安全系数分布情况，如图10所示。

从图10中可以看出，锚杆长度越长，边坡安全系数离散性越小，边坡安全性系数越为集中，可以认为在锚杆长度一定时，变换其他锚杆参数，锚杆长度越长对控制边坡稳定性能力越大，边坡稳定性也越高。锚杆长度从9m增大至18m，边坡的平均安全系数分别为1.15、1.21、1.26和1.30，可以发现边坡安全系数增大趋势有所减缓，因此考虑到施工成本情况下，锚杆长度宜选取12～15m。

图11为锚杆长度l=12m、锚杆倾角α=15°及锚杆间距Sx=3m下边坡开挖完成后的塑性区分布图，边坡最大塑性值仅为4.57×10-2，边坡整体稳定性较好。

图11 边坡开挖完成后塑性区分布(l=12m,α=15°,Sx=3m)

4 结论

针对某工程路堑高边坡，基于Midas/GTS有限元软件对预应力锚杆支护参数进行了优化分析研究，得到以下主要结论：

(1)锚杆间距设置越小，锚杆布置的越密集，能够承受边坡滑移土体产生的荷载越多，单根锚杆受力相对更小，边坡的稳定性也越好，此工程边坡水平间距选取3～4m最佳。

(2)从锚杆受力角度分析得到锚杆倾角在15°～20°时锚杆所发挥的作用达到最大；从边坡安全系数角度分析当锚杆倾角在15°～20°时边坡安全系数基本达到最大值，此时边坡稳定性最优，与从锚杆受力角度分析得到的结论基本一致，故认为锚杆最佳倾角设置为15°～20°。

(3)锚杆长度越长，边坡安全系数离散性越小；在变换其他锚杆参数时，锚杆长度越长对控制边坡稳定性能力越大，边坡稳定性也越高。且随着锚杆长度的增大，边坡安全系数增大趋势有所减缓，锚杆长度宜选取12～15m。