预应力锚索在边坡抢险加固工程中的效果分析

2023-09-22李远娟李恒之杨树平蔡源铭

水利技术监督 2023年9期

李远娟，李恒之，杨树平，金晨，蔡源铭

(江西省地质局第五地质大队，江西新余 338000)

中国近年来地质灾害主要以滑坡及崩塌为主，其中滑坡灾害占比达到74.5%[1]。在边坡开挖坡脚后，扰动岩土体内部应力的分布，岩土体易生成张拉裂缝，在降雨入渗作用下，使得岩土体产生失稳，给人民生命财产安全带来巨大损失。

在边坡稳定性分析中，极限平衡法在分析整体稳定性时，通常会受到设计人员选取滑动面及岩土参数参数的限制[2]；基于强度折减法的有限元数值模拟法，不需要滑面位置及形状的假定条件，能客观评价坡体受力变形及失稳状态的变化情况[3-4]。

预应力锚索支护技术作为边坡一种主动加固手段，在岩土工程中得到了广泛应用[5]，在被加固隐患体部位钻孔、下锚索并注浆产生压应力及锚索摩擦力，使滑体产生的下滑力转移到稳定的滑床中，有效地改善了边坡的稳定性，从而达到了加固的作用[6]。因为预应力锚索价格便宜且施工方便，能够产生较明显的经济效益，所以预应力锚索被广泛的应用于治理工程施工中[7-8]。

本文选用ABAQUS大型有限元软件，选取典型剖面对某边坡进行数值模拟与研究[9-10]，通过对该边坡无桩无锚索、有桩无锚索及有桩有锚索不同工况进行数值模拟，结合现场实际情况，得出该边坡的支护方案，最终利用锚索拉拔试验结果同数值模拟结果对比分析，本文研究成果可为边坡加固设计提供参考依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

某滑坡由于村民坡脚切坡建房而成，在未经工程治理的情况下，滑坡已发生多次滑移。现滑坡隐患体宽约300m，坡高8～50m。现滑坡中部已出现裂缝，开裂处高度约14m，宽约28m，主滑坡坡宽约80m，高约25m，滑坡倾向西北，坡度40°。根据现场勘察发现：滑坡后缘发现多条张拉裂缝，宽约0.2～0.5m，深度约1～4m，该滑坡为土质滑坡，滑坡体表层为残坡积粉质黏土，为可塑状，厚度1.0～3.0m，其下部为全风化砂岩、粉砂岩。

1.2 原治理工程设计

根据该滑坡地质灾害特征和危害的严重性，综合考虑结构安全、治理成本、技术可行性、施工便利性、生态环境保护等多方面因素，滑坡治理设计采用“削坡减载+抗滑桩+挡土墙+喷播绿化+截排水沟”的综合治理方式，如图1所示，抗滑桩截面尺寸为1.0m×1.5m，桩中心距3.0m，滑床以下锚固深度7～9m。

图1 滑坡治理设计图

1.3 治理后现状

按照设计方案对该边坡进行治理，由于雨季降雨入渗作用，边坡出现垮塌，一级坡段下滑严重，所溢泥浆已漫过挡土墙前沿顶部，由于土体下滑冠梁中部处出现裸露现象；经监测，抗滑桩桩顶最大位移为6.9cm，超过规范[7]要求设计值6cm，目前抗滑桩仍有继续倾斜的可能。

2 预应力锚索的加固分析

预应力锚索在边坡加固中具有显著的优势，可以最大限度的利用到岩土体的强度和潜力，加固岩体，可以改善挡土排桩受力，可以改变构件内力分布。

能够最大程度的利用介质的内在强度和潜力，且能加强介质的自承和自稳能力是预应力锚索在施工现场广泛应用的前提。边坡经过预应力锚索加固后可以改变应力状态，而且可以提升的整体稳定性和抗剪强度[8-9]。

边坡体滑面上的应力以及稳定性随着锚固力的作用而提升，如图2所示。

图2 预应力锚索受力分析图

Pl为预应力锚索的锚固力增加的抗滑阻力增量，由计算得出[4]：

Pl=Pwtanφ+Pm=Pd[sin(α+β)+cos(α+β)]

(1)

τ=σ+σtgφ

(2)

从上述可知，所加固边坡的稳定性可以通过滑动面所产生的抗滑阻力Pw以及正应力Pm来提高潜在滑动面的摩阻力来得以实现。预应力锚索主要力学作用是阻止岩土体的剪切破坏，增加了岩土体的整体强度和滑动面的抗摩阻力，增加边坡稳定性。

3 加固方案的确定及计算模型的建立

3.1 加固方案的确定

经过参考相关规范要求及工程经验，最终确定支护设计参数如下：加固锚索采用3束A15.2预应力钢绞线，其设计承载力为3960MPa，锚孔设计直径为130mm，倾角15°，采用一桩一锚进行加固设计。

3.2 计算模型的建立

选用ABAQUS大型有限元软件，选取代表性断面对该边坡进行建模分析，本构采用经典Mohr-Coulomb破坏准则和关联和流动法则。有限元网格划分如图3所示。边坡单元采用四节点平面应变单元(CPE4)。材料参数见表1。

表1 模型材料参数

图3 模型计算网格

4 计算结果分析

4.1 支护前数值模拟分析(无支护情况下)

在对边坡进行削坡后，不进行支护，通过软件计算得出的位移等值线云图如图4所示。通过强度折减算法验算得出的自然状态下的塑性应变区域如图5所示，即潜在滑移面。该边坡在无支护情况下坡体最大水平位移可达51.26cm，其安全系数为1.02，不满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)的安全系数1.3的要求。

图4 无支护情况下坡体水平变形矢量图

图5 坡体塑性应变图

4.2 支护后数值模拟分析(有桩无锚索)

当原边坡处于自然状态下的时候，其安全系数不高，当对边坡进行相应的支护工程，边坡的安全系数可以得到有效的提升，由此满足坡体稳定性要求。在坡脚设计5m挡土墙，在一级平台处设计抗滑桩，抗滑桩截面尺寸为1.0m×1.5m，桩中心距3.0m，滑床以下锚固深度7～9m。

边坡的c、φ值会跟着场变量的改变而改变，相应模型会在位移量突变时而破坏。从图6可以看出，边坡的滑移面已经贯通。通过分析坡脚处水平位移随场变量的变化，以位移的拐点作为选择安全系数的依据，其安全系数为1.32，计算结果显示抗滑桩在水平位移可达27.08cm，如图7所示。

图6 坡体塑性应变图

图7 桩体水平变形矢量图

4.3 加固后数值模拟分析(有桩有锚索)

治理后的抗滑桩变形过大，在既有边坡治理的基础上对边坡实施加固，以提高边坡稳定性要求[10]。每桩设3束A15.2预应力钢绞线。框架梁采用B21梁单元，预应力锚索采用T2D2桁架单元；框架梁与坡体、框架梁与锚杆和预应力锚索之间采用Tie约束；预应力锚索和锚杆与坡体之间均采用Emb约束，加固后坡体的潜在滑动面如图8所示。