浙南地区岩质边坡锚杆格构防护参数优化研究

王航宇

（温州市公路与运输管理中心，浙江 温州 325000）

0 引言

浙南地区山区地貌广泛分布，边坡成为工程建设中的常见分部，主要表现为原始边坡及工程建设所形成的人工边坡两种形式，其中岩质边坡分布较为常见。岩质边坡形成后，受到风、雨、温度及地表径流等自然因素侵蚀，表岩体会因风化作用而破碎，从而产生边坡灾害情况。对于有失稳风险的边坡，工程人员常根据边坡的特点，采用不同防护形式进行加固治理，以提高其稳定性。研究者也针对边坡防护开展了不同侧面的研究。

拓伟民[1]结合兰州市南山路工程九标段高边坡防护工程的施工，采用锚杆格构梁进行边坡加固的工程实例，就锚杆格构梁在边坡防护中的施工工艺、施工设计原理进行分析和探讨。

郝建斌[2]通过对锚杆格构支护边坡振动台模型试验，得到结论：

第一，在同一正弦波激励下，格构同一测点的动应变值的变化范围是基本保持不变的，与正弦波激励的变化规律一致。但在破坏阶段，测点的动应变值表现为无规律的变化且应变值均较大。

第二，同一激励下，横、纵格构梁的受力水平是基本相平的；对于同一行格构，中间应变值较大；同一列格构，由上到下呈“大—小—大—小”的变化特征，说明边坡竖向变形变化很大且受锚杆约束的影响；格构梁的不同部位受力不同，需要对薄弱部位进行补强。

第三，相同频率下，格构测点的动应变值随着加速度的增大，整体上表现为递增趋势。

第四，低频正弦波的频率较接近边坡的自振频率，坡体加速的动力响应就明显，边坡的相对位移则越大，因此格构的动应变相应增大。

陈兴平[3]基于环保理念，对公路路基边坡防护方法进行了研究总结。

王娟[4]总结了不同地质条件下(土质边坡、岩质边坡和岩土混合边坡)风电场建设常见的边坡防护形式及其施工要点，并从安全性、经济性和美观性的角度评判了常见边坡防护形式的优缺点，研究结论能为风电场建设过程中选择合理的边坡防护形式提供参考。

吴明友[5]对国省道路基边坡常用防护工程施工要点、难点进行了研究和分析，为工程设计与施工人员提供借鉴。

唐秋元[6]结合岩质边坡工程实例，对岩质边坡支护设计中的锚杆轴向拉力设计方法进行了分析与评价。

刘佳龙[7]结合某220kV 变电站岩质高挖方边坡，采用极限平衡法和数值分析法，设置不同锚杆打入角度和长度方案对边坡的稳定性进行了计算对比分析，优化了锚杆设计参数，评价了坡顶位移监测、深层水平位移监测和锚杆应力监测对锚杆加固效果。

晏鄂川[8]以云沱段狮子包边坡2-2′剖面（K0+85.7m）为例，应用正交试验设计法分析锚固参数的组合方案，以边坡稳定性系数作为评价指标，分别改变锚固参数，以此分析对边坡稳定性的影响。

对于岩质边坡而言，因其整体失稳的概率较小，常见失稳形式为表层全风化岩层滑坡、风化块石滑落及坡面碎石失稳等，常采用的防护措施主要为锚喷加固及格构防护两种。格构防护作为常见的防护形式，通过锚杆在岩石中的锚拉作用和表面格构的约束作用，形成整体防护体系，其防护参数的选取对防护工程的经济性及边坡稳定性防护效果具有较大影响。在工程实践中，设计人员常采用规范取值或者经验取值进行设计，但对其参数变异对于设计结果的影响论证较少。

本文基于浙南地区岩质边坡的具体情况及岩性特点，通过数值模拟的方法，对岩质边坡锚杆格构进行模拟并进行结果对比，获得相对优化的参数取值，研究结果可为该地区同类工程设计提供参考。

1 数值模型建立

数值模拟采用MIDAS/GTS NX 软件进行。模型建立首先采用AUTOCAD 建立简化模型，然后导入计算软件形成三维地质模型。本文模拟的对象是交通道路岩质边坡的防护稳定性问题。根据浙南地区道路边坡的形状，并考虑道路路基对坡脚的压载作用，建立边坡模拟模型见图1。其中，边坡坡度取65o，坡高30m。道路路基宽度取45m，道路路基高度15m，上部全风化层厚取2m，下部为强风化岩层。

锚杆格构方案结构参数工况如下：

矩形框格梁尺寸：高40cm，宽30cm，采用C30 钢筋混凝土。

锚杆：总长7.5m，伸入完整岩石7m，外露0.5m，钢筋直径32mm，布置在框格梁纵横交叉处，共布置5行5 列进行模拟。

锚杆间距：按照2.5、3.0、3.5、4.0、4.5，共考虑5种工况。

在软件自动网格划分功能基础上，对边坡模型网格尺寸进行调整控制。坡体表面采用0.5 单位宽度网格，坡体外侧道路部分采用1.5 单位的网格宽度，格构网格采用与边坡相同大小的网格，既保证了精度，又充分消除了边界效应的影响，从而达到一个较好的模拟。模型网格划分如图2所示。

根据边坡稳定性质，边坡荷载主要考虑坡体及防护材料自重荷载。材料自重根据不同材料类型确定。在软件中选择“自重”，自重系数z 处输入“-1”，对整体模型施加自重荷载。根据模型尺寸，模型边界考虑为固端边界，即在模型的左右边界施加水平约束，使模型竖直边界水平的位移为零，模型的底部设定为固定约束，即底部边界水平、垂直位移均为零，模型的顶部及边坡部位为自由边界。

模型材料参数根据温州地区的土体参数资料及规范确定见表1。材料本构关系均采用摩尔-库伦强度准则，锚杆材料设置为弹塑性材料（见表2）。

表1 坡体材料参数取值

表2 防护结构材料参数取值

2 模拟计算

模型建立完成后，在MIDAS/GTS NX 软件的分析选项栏里点击新建工况分析，将计算求解类型为边坡稳定（SRM），激活边界条件和静力荷载选项。在分析控制选项里面，把刚度更新方法改为“初始刚度法”，内力改为0.001kN，然后运行分析计算。

模型分析完成后，通过软件处理后系统进行结果分析。主要通过以下结果参数，对比分析防护方案的优化结果。

其一，安全系数：反映边坡的整体稳定状况。

其二，总位移云图：反映坡体的整体位移状态，同时判断边坡的滑移状态。

其三，最大剪应变图：反映边坡剪应变的分布状态，同时判断边坡的剪切破坏模式。

其四，锚杆支护轴力图：反映锚杆支护结构的受力状态。

3 模拟结果分析

3.1 坡体总体位移变化规律研究

图3为不同锚杆间距情况下边坡总位移变化曲线图。从图3中可以看出：随着锚杆间距的增大，边坡的最大位移呈现先减少后增大的趋势。坡体发生位移的深度增加。当锚杆间距为3.5m 时，边坡最大总位移为最小值0.9mm。当锚杆间距继续增大为4m时，边坡最大总位移又增加为4.1mm。可以表明，对岩质边坡而言，坡体位最小的边坡锚杆间距为3.5m。

3.2 坡体的最大剪应变规律

图4为不同锚杆间距条件下岩质边坡锚杆格构梁防护最大剪应变云图及剪应变变化曲线图。从图4中可以看出：边坡的最大剪应变均出现在坡脚区域，并沿着强风化岩层底在坡体内贯穿形成剪切带，受到锚杆格构防护的约束作用，剪切带的应力及厚度呈现不同的特性，总体表现为随着间距增加，剪切带厚度有增加趋势。

从剪应变数值变化曲线看，随着锚杆间距增大，坡体最大剪应变呈现先减小后增大的趋势。当锚杆间距为3.5m 时，边坡的最大剪应变值最小，为0.0004。当锚杆间距为4m 时，边坡的最大剪应变值最大，为0.0047。结果表明，3.5m 间距为剪应变最优间距。

3.3 锚杆轴力变化规律

图5为不同锚杆间距条件下岩质边坡锚杆格构梁防护轴力云图及曲线。从图5中可以看出：随着锚杆间距的增大，锚杆受到的最大轴力表现为先减小后增大趋势。当锚杆间距为3.5m 时，最大轴力值最小为200.4kN。当锚杆间距为4.0m 时，最大轴力值相对最大，为221kN。从结果可以看出，锚杆轴力最优的锚杆间距为3.5m。

3.4 安全系数变化规律研究

图6为不同锚杆间距条件下岩质边坡锚杆格构梁防护安全系数变化图。由图6可以看出：在模拟选定锚杆间距工况条件下，安全系数为1.77，远大于规范规定的边坡安全系数值。随着锚杆格构梁间距的增大，边坡的安全系数呈现逐渐减小的趋势。锚杆格构梁间距为2.5m 时，边坡的安全系数最大，为1.8094；锚杆格构梁间距为3.5m 时，边坡的安全系数最小，为1.7531。当锚杆间距3.5m 继续增大时，从在锚杆间距增加到4m 时，安全系数有所回升，变为1.77。从结果可以看出，边坡稳定安全系数最优的锚杆间距为3.5m。

4 结语

本文通过建立三维有限元模型，对岩质边坡锚杆格构防护形式的锚杆间距进行了模拟研究。从模拟研究结果来看，在坡体形态及其他防护参数不变的情况下，随着锚杆间距增大，坡面位移、剪应变、锚杆轴力及安全系数都呈现先减小后增大的趋势，综合最优锚杆间距为3.5m。研究结果可以作为该地区边坡工程设计与施工的参考。