锚索加固方式的边坡受力及变形特点研究

康文轩

(新疆昌吉州水利管理总站，新疆 昌吉 831100)

1 概 述

土体力学强度较弱，自稳性较差，因此土质边坡开挖施工常常采用辅助加固方式，以确保边坡的稳定。其中，锚索是边坡工程加固中常采用的支护方式。

为此，许多学者对边坡加固方式及效果开展了研究。李炜等[1]采用实验方法，对高速公路边坡采用的预应力锚索加固形式效果进行了研究，结果表明锚索具有弹性变形和塑性变形的双阶段变形特点，为类似工程施工提供了参考。宁文国等[2-3]对某结合预应力锚索的新型支护加固方式对高路堑边坡的加固性能进行了研究，结果表明预应力锚索结合十字面板的施工方法在合理控制和保证相关施工质量的基础上，加固效果明显优于单独采用预应力锚索的加固方式。杨杰等[4]对预应力锚索的施工工艺进行了研究，结果表明基于工程实践总结的预应力锚索施工方法和工艺要求，可以作为相关边坡工程施工和设计规范的参照。陈国军等[5]研究了预应力锚索加固的边坡在地震作用下的稳定性，结果表明预应力锚索抗滑桩的设计深度和横截面积应充分考虑相应的弯矩变化点。上述文献对锚索加固方式所产生的应力及变形效应进行了研究，主要涉及各类边坡工程和不同的锚索加固方式，包含不同的边坡形式和最终的安全性评价。

本文以新疆某水利工程边坡为研究对象，对锚索加固条件下的边坡稳定相关变形及受力特点进行研究。采用Flac3D软件进行模拟，经过数值计算，分析锚索加固条件下边坡的最大有效应力和最大位移。

2 工程概况

某水利工程边坡位于我国西部地区，从上至下的地质条件主要由3层土质不同的边坡土层组成，工程处于318国道旁，地理位置极为特殊，边坡的稳定对于318国道的正常运营有重要影响。边坡三维示意图见图1，边坡垂直一侧高35m，底宽130.1m，从上至下分别为沉积土层、强风化层、弱风化层，各土层的相关物理力学参数见表1。

图1 开挖边坡三维示意图

表1 各土层物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

由于Flac3D软件在构建复杂边坡模型时存在一定的不足，为此本文的边坡构建方式采用CAD，先将模型剖面画出，而后进行EXTRUDE命令操作，将模型在横向方向上延伸至10m长，随后导出到FLAC3D中。由于所研究问题为平面应变类型问题，因此边坡的左右两侧采用固定法向约束的边界条件，模型底部为全约束，即将X、Y、Z方向的约束全部固定，最后进行求解计算。构建的模型图见图2。

3.2 边坡内的位移及受力特征

求解计算完成后，获得最后锚索加固条件下的边坡位移云图，见图3。同时，为了研究锚索加固条件下边坡体内的受力变化特点，与计算完成后绘制的边坡位移云图一起绘制相应的边坡受力图，见图4。

图3 锚索加固边坡位移云图(单位：m)

图4 锚索加固边坡最大有效应力云图(单位：Pa)

根据图3可知，当采用锚索加固方式对边坡进行加固后，边坡内的最大位移为5.04e-2m，最大位移主要集中于上部台阶位置以上部位，表明布置于边坡下部的锚索起到了有效的加固边坡下部土体的作用；而在下部台阶以上的边坡位移最大为4e-2m，说明布置于边坡下部的锚索有效减少了边坡下部土体的位移；随着逐渐向边坡下部，尤其是最底部位置处，边坡的位移越小，边坡位移的最大值仅为1.5e-2m，表明上部的锚索加固发挥了作用，说明该类地质条件和该型边坡坡率条件下，采用锚索加固的边坡失稳治理方式是合理的。

根据图4可知，当采用锚索加固方式对边坡进行加固后，边坡内的最大有效应力为2.81e5Pa，表现为压应力，最大有效应力主要集中于边坡最底部位置；边坡内的最小有效应力为2.35e3Pa，表现为压应力，主要位于边坡表层，随着不断向上接近地表，而最大有效应力显著降低，表明布置于边坡内的锚索起到了有效减低边坡表层土体所受的应力作用。同时可以看出，在下部台阶以上的边坡最小有效应力向边坡内延伸的距离较大，约为2m；而在有锚索加固部位的下部边坡最小有效应力，向边坡内延伸的距离极小，仅为0.3m，说明布置于边坡下部的锚索有效减少了边坡下部土体的有效应力。因此，该类地质条件和该型边坡坡率条件下，采用锚索加固的边坡失稳治理方式是合理的。

3.3 边坡内锚索的位移特征

为了研究锚索的变形特征，通过Flac3D，采用绘制相应结构部件图的方式，绘制锚索的速度变化趋势图，见图5。同时，采用同样方法绘制锚索相应的位移变化趋势图，见图6。

由图5可知，当采用锚索加固方式对边坡加固后，边坡内锚索的最大速度为4.02e-16m/s，最大速度主要集中于上部锚索，表明布置于边坡上部的锚索发挥了有效的加固边坡下部土体的作用；而在下部变台阶位置的边坡内锚索的最大速度为2.25e-16m/s，边坡内锚索的最大速度接近于零，说明布置于边坡下部的锚索在加固土体的同时，其自身几乎不发生运动，锚索自身是稳定的，该锚索的应力选择和力学特征用来加固该边坡是合理的。

由图6可知，当采用锚索加固方式对边坡进行加固后，边坡内锚索的最大位移为2.13e-2m，最大位移主要集中于上部锚索中间位置，表明布置于边坡上部的锚索发挥了有效的加固边坡下部土体的作用，起到了抗边坡滑移运动的作用；

图5 边坡内的锚索速度云图(单位：m)

图6 边坡内的锚索位移云图(单位：Pa)

而在下部变台阶位置的边坡内锚索的最大位移为1.2e-2m，说明布置于边坡下部的锚索在加固土体的同时，其自身随边坡的运动较小，且表现出与边坡内的土体整体协调的运动特征，说明采用该材料属性的锚索来加固该边坡是合理的。

4 结 论

1)边坡内土体的最大位移为5.04e-2m，土体最大位移主要集中于上部台阶位置以上的土体；边坡内的最大有效应力为2.81e5Pa，最大有效应力主要集中于边坡最底部位置。

2)边坡内锚索的最大速度为4.02e-16m/s，最大速度主要集中于上部锚索；边坡内锚索的最大位移为2.13e-2m，最大位移主要集中于上部锚索的中间位置。

3)土体的最大位移和最大有效应力、锚索的最大速度和最大位移均表明，采用锚索加固方式对边坡进行加固是合理的，边坡上部土体可参考下部的锚索布置形式进行加固。