錨桿參數優化在開挖邊坡加固中的應用研究

張良發

(湖北省宜昌地質勘探大隊，湖北宜昌 443100)

錨桿參數優化在開挖邊坡加固中的應用研究

張良發

(湖北省宜昌地質勘探大隊，湖北宜昌 443100)

結合工程實例，采用有限差分法建立數值模型。分別改變錨桿的幾個支護參數，利用FLAC軟件計算邊坡的安全系數，以此分析這些參數對于邊坡穩定性的影響，從而選擇合適的參數。運用數學方法和有限差分法，對支護前和支護后的邊坡進行穩定性分析，通過監測結果驗證了錨桿參數選擇的合理性。

邊坡支護;錨桿參數;邊坡穩定性;安全系數

0 引言

錨桿支護是近年發展起來的用于巖土工程的一種擋土技術，具有施工簡單、加固效果顯著和造價低等優點，適用于深基坑工程和邊坡支護工程，它較多地用作開挖邊坡的臨時支護，也可作為永久性擋土結構［1］。然而，在目前的實際工程中，人們對錨桿支護參數基本是憑借工程經驗進行選取，不能合理有效地進行設計，這給工程帶來一定隱患，也會造成工程材料的極大浪費。因此，有必要進一步研究合理的支護參數，正確指導設計和施工，確保邊坡穩定性和合理的施工成本［2］。隨著計算方法和各種數值模擬技術在巖土工程中的不斷發展，本文應用了有限差分法模擬錨桿的支護效果，定量得出了各個支護參數與邊坡穩定性的關系，從而確定錨桿支護最優參數。

1 工程概況

1.1 場地條件

某工業開發區工程，因修建工業大樓的需要，擬將其旁一山體內側的巖土體挖掉。開挖后將形成土—巖混合邊坡，邊坡安全等級為二級。被開挖部分山體的垂直高度為15.5 m，按1∶0.4的比例分兩次放坡，放坡高度分別為8 m和7.5 m。

由于山體開挖后的邊坡穩定性將直接影響建筑物的安全使用，故需根據該山體的地質情況正確分析其開挖后所形成邊坡的穩定性，制定合理的邊坡支護方案。

1.2 工程地質條件

根據巖土工程勘察報告顯示，該山體內的地層自上而下的順序主要有：第四系坡洪積層、沖洪積層、殘積層以及侏羅系中統基巖，其巖土體的物理力學參數如表1所示。

由邊坡的工程條件可知，邊坡主要為第四系沖洪積層和第四系坡殘積層，其土層抗剪強度較大，但局部破碎、軟硬互層的構造特性又導致其穩定性較低，在地表水及雨水作用下邊坡容易發生滑塌。邊坡開挖之后，在坡體內發現一個順坡向的軟弱結構面，傾角約30°，長度約25 m，傾角小于坡角，對邊坡的穩定性構成潛在的嚴重威脅。在滑體后部產生張裂縫，裂隙深為5 m，裂隙內水深4 m。該張裂縫對邊坡的穩定性有很大的影響，特別是在暴雨情況下，由于張裂縫底部排水不暢，張裂縫可能臨時充水達一定高度，沿張裂縫及滑動面產生靜水壓力，使滑動力突然增大，造成邊坡滑移［3］。

表1 巖土層的物理力學指標一覽表Table 1 Geotechnical layer of the physical and mechanical indexes list

2 穩定性分析

將邊坡假設為均質邊坡，則邊坡的穩定性分析可按平面剪切破壞類型考慮，見圖1。

圖1 具有張裂隙和靜水壓力的邊坡Fig.1 Slope with tension joint and water pressure

用剛性極限平衡法分析，穩定系數可按下列公式計算：

圖2 邊坡計算模型示意圖Fig.2 Figure of calculation model for slope

根據上述幾何模型及計算參數，編寫FLAC計算程序，并運行FLAC軟件作數值模擬分析，對模型邊坡進行網格劃分。最后開挖完成的有限差分網格如圖3所示。

圖3 開挖邊坡網格圖Fig.3 Excavated slope trellis

式中：L為滑動面長度(m);β為邊坡坡腳(°);α為滑動面傾角(°);u為作用在滑塊地面上的水浮托力(kPa);v為張拉裂縫中的水壓力(kPa);γw為巖體的重度(kN/m3);Z為張裂隙深度(m);Zw為裂隙中水的深度;W為滑體自重(kN)。

c，φ，γ的取值是根據山坡原狀巖土試樣進行試驗得出的。將相應參數代入公式計算得Fs=0.97，小于設計要求的安全系數1.25，不符合規范要求，說明現有邊坡穩定性較差，需采取加固措施。

由于邊坡空間位置較特殊，坡腳靠工業大樓基礎很近，工業樓下設有地下停車庫，因此決定采用錨桿支護。

3 錨桿參數優化設計

對于縱向較長的實體邊坡，其計算模型可以簡化為平面應變問題［4］。

本模型計算范圍選取：H=30 m，L=60 m;模型的邊界條件為：兩側邊界約束水平位移為0，下側邊界約束豎向位移為0。其計算模型剖面示意圖為圖2所示。

為了選取合適的錨桿參數，這里采用單因素分析方法研究錨桿長度(L)、錨桿傾角(α)、錨桿垂直間距(V)等支護參數對邊坡穩定性的影響，即：選定1個基準模型，變化其中的1個參數，通過數值模擬計算邊坡安全系數，并進行分析，選出錨桿支護參數的最優化方案［5］。

3.1 錨桿長度的選擇

根據設計規范可將錨桿傾角固定為15°，選取網格面積(長×寬)為2 m×2 m，L每次遞增2 m。代入相關物理參數，分析L從2～20m遞增過程中，K隨錨桿長度的變化情況，結果如圖4所示。

圖4 L與K的關系Fig.4 The relation between L and K

由圖4可知，當錨桿長度達到某一數值后，再增加其長度，邊坡穩定性系數基本上沒有大的變化。可見L增加到一定長度后并不能提高邊坡的安全系數。在L=10～14 m時，K值較大。根據邊坡穩定性和錨桿的經濟性，選取錨桿長度為8～12 m為宜。

3.2 錨桿傾角的選擇

為了分析錨桿傾角對邊坡安全系數的影響，將錨桿長度固定為12 m，網格面積(長×寬)為2 m×2 m，α每次遞增5°。得到K隨錨桿傾角的變化情況，結果如圖5所示。

圖5 α與K的關系Fig.5 The relation between α and K

由圖5可知，在α從水平方向逐漸增大的過程中，K先增大然后減小。當α較小時，K達到最大值;繼續增加α，K逐漸減小，減小的趨勢基本是呈線性的。可見，錨桿傾角為5°～15°時，邊坡穩定性較好。錨固角的計算公式δ=45°+φ/2－α，根據最大抗滑力錨固角和最經濟錨固角確定錨桿的最優化錨固角。選取錨桿鉆孔與水平方向的夾角為15°。

3.3 錨桿垂直間距的選擇

在每個邊坡模型中加入5根錨桿，錨桿傾角為15°，長度為12 m，從離坡頂0.5 m處布置第1根錨桿，垂直間距為0.5～3.5 m。得到K隨錨桿間距的變化情況，結果如圖6所示。

圖6 錨桿間距與K的關系Fig.6 The relation between V and K

由圖6可知，K隨著錨桿間距的增大而增大，當錨桿間距達到一定值時，K又隨著錨桿間距的增大而減小。在V=3 m時，K取得最大值。故錨桿間距為3 m時，邊坡穩定性相對較好。

3.4 錨桿材料的選擇

錨桿拉力公式為：

式中：δ為錨桿與水平面夾角，其余符號與前相同。根據《巖土工程勘察規范》(GB50021—94)，Fs取 1.25計算，得錨桿拉力T=520 kN/m。公式：

其中Nt=Ti，m，n分別為錨桿間距和排數［6］。經計算得出：單根錨桿抗拔力設計值Nt=130 kN。有錨桿抗拉驗算公式：

式中：K為安全系數;Nt為錨桿設計軸向力;As為錨筋截面積;fpkt為錨筋(鋼筋)抗拉強度設計值為455 N/mm2。

經計算，錨桿As=457 mm2，一條25的Ⅱ級螺紋鋼筋截面積為490 mm2＞As，滿足要求。

3.5 錨桿支護參數選取

采用錨桿支護的方案，可有效控制邊坡土體變形，以確保邊坡穩定，滿足邊坡安全的要求。根據錨桿支護的合理性和經濟型，選取錨桿支護參數為：長度L=12 m、傾角 α =15°、間距V=3 m、直徑D=25 mm。

4 支護后邊坡穩定性分析及監測

4.1 安全系數分析

邊坡支護后對其穩定性進行了分析，計算按照平面應變問題處理，土體用平面單元plane2模擬，錨桿用梁單元beam3單元模擬。模型計算范圍為60 m(長)×30 m(高)，邊界條件：左右兩側水平約束，下部豎向約束，上部邊界為自由邊界［7］。屈服準則：采用Drucker－prager屈服準則。鋼筋彈性模量2.0×105MPa，抗拉強度310 MPa。用拉格朗日差分法進行數值分析，模型中加上錨桿時，輸入相關參數進行計算得安全系數K=1.4。K＞1.25，故支護后的邊坡是穩定的。

4.2 邊坡監測

該邊坡支護工程施工結束后對邊坡進行了監測。邊坡監測采用位移監測，選取了3個位置重要點進行監測，其中1、3號點位于邊坡兩側坡腰，2號點位于坡頂。其監測數據如表2(單位mm)。

表2 位移監測數據Table 2 Displacement monitoring data

3個監測點的位移沉降量如圖7所示。

圖7 監測點位移沉降量Fig.7 Displacement settlement monitoring points

經連續的位移和沉降觀測，由監測數據和沉降量變化曲線可知，該邊坡支護后位移和沉降變化量較小，邊坡穩定性較高。

5 結語

本文通過工程實例，運用有限差分數值分析法分析了不同錨桿支護參數對邊坡穩定性的影響，得出錨桿的最優支護參數。通過對邊坡支護前后穩定性的分析，證明了這種方案的可行性。可見通過優化設計選取合適錨桿長度、傾角、間距和直徑等參數不僅能提高邊坡穩定性，而且節約了工程材料、降低了施工成本，取得了顯著的經濟和社會效益，在邊坡支護中可推廣應用［8］。

［1］中國巖土錨固工程協會.巖土錨固新技術［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］陳強.預應力錨桿在基坑支護工程中的應用［J］.西部探礦工程，2003(1)：13 －14.

［3］ 林宗元.巖土工程治理手冊［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

［4］鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(19)：3 381－3 388.

［5］彭文祥，趙明華，等.基于拉格朗日差分法的全長注漿錨桿支護參數優化［J］.中南大學學報，2006，37(5)：1 002 －1 007.

［6］中國工程建設標準協會.土層錨桿設計與施工規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，1990.

［7］朱宗明.FLAC在邊坡整治工程中的應用［J］.廣州建筑，2003(4)：40－42.

［8］中國巖土錨固工程協會.巖土錨固工程技術［M］.北京：人民交通出版社，1996.

Application of Parameter Optimization of Anchor Bolt on Slope Reinforcement during Excavation

ZHANG Liangfa
(Yichang Brigade of Geological Exploration in Hubei Province，Yichang，Hubei443100)

With an engineering example，the numerical models were founded by the finite－ difference method.Using FLAC for calculating on the safety factors of the slope，each support parameter of anchor bolts is changed，the influence of the parameters is analyzed in order to choose the appropriate ones.Then the mathematical methods and finitedifference method are adopted to study the slope stability before and after the support.The results of monitoring show that the parameter determination is rationality.

slope support;parameters of anchor bolts;slope stability;safety factor

TU753.8

A

1671－1211(2011)03－0248－04

2011－03－31;改回日期：2011－05－24

張良發 (1969－)，男，高級工程師，地質技術經濟專業，從事水文地質、工程地質、環境地質勘查設計及技術質量管理工作。E － mail：172646987@qq.com

潘 瀟)