錨桿支護(hù)參數(shù)對于邊坡抗滑性影響的研究

付強+付朝輝+李謙+何東旭+趙玉成

摘 要：邊坡加固措施經(jīng)常采用錨桿支護(hù)的方法，其實用性在工程中已經(jīng)得到一致認(rèn)可。錨桿支護(hù)具有支護(hù)效果好、廉價、施工簡單、施工速度快等優(yōu)點。錨桿支護(hù)效果受到很多因素影響，如錨桿長度、錨桿支護(hù)角度、預(yù)應(yīng)力等。施工中常通過調(diào)整支護(hù)角度與錨桿長度來提高錨桿支護(hù)效果，因此研究錨桿支護(hù)角度與錨桿長度對支護(hù)效率的影響十分必要。本文基于ANSYS軟件，通過強度折減法，對無支護(hù)，對各種不同支護(hù)角度與錨桿長度情況下的邊坡抗滑性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，以給出最佳的錨桿支護(hù)角度與錨桿長度。

關(guān)鍵詞：ANSYS；邊坡穩(wěn)定性；強度折減法；錨桿；安全系數(shù)

Research on slope stability under the bolts supporting parameters

Fu Qiang1，2，F(xiàn)u Chao-hui1，Li Qian1， He Dong-xu1，2，Zhao Yu-cheng1，2

（1.China University of Mining Geomechanics and Deep Underground Engineering， State Key Laboratory of Xuzhou， Jiangsu 221116； 2.Chinese Mechanics and Civil Engineering， University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116；

3. Railway Real Estate Group Qingdao Cheung Fung Company， Shandong 266071）

Abstract：Bolting support is frequently used for slope reinforcement， its usefulness in the project has been unanimously approved. Bolting support has many advantages such as good effect， cheap， simple construction， fast speed and so on. The effect of bolting support is influenced by many factors， such as the bolting length， bolting angle and prestressing. Adjusting the bolting angle and bolting length can improve support effect， so the research about bolting angle and the length is necessary. According to the strength reduction， based on ANSYS software， the paper analyzes the slip resistance of the slope to give the best bolting angle and bolting length， including different angles and bolting length.

Keywords： ANSYS； slope stability； strength reduction； bolt； safety factor

1.引言

邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有基于邊坡極限平衡法和基于有限元與有限差分的強度折減法[1]。極限平衡法基于對土條的各種假定[2-3]，不能考慮邊坡巖土體的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系及邊坡變形對穩(wěn)定性的影響，更不能分析邊坡滑動的發(fā)生和發(fā)展過程。而有限元的強度折減法克服了上述缺點，滿足平衡條件的同時考慮土體應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系及邊坡變形的影響，并模擬出滑裂面[4]，通過各種加固措施下滑裂面情況的對比可以方便得出各種加固措施的效果。因此采用強度折減法能夠方便的研究邊坡及邊坡加固的影響因素。

2.強度折減法

強度折減法原理為將土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角 均除以折減系數(shù)f，得到新的土體參數(shù)指標(biāo)c'和 '，再用新的參數(shù)進(jìn)行有限元計算，如果邊坡依然穩(wěn)定，再將f增大一些，繼續(xù)進(jìn)行上述步驟，直到邊坡處于臨界狀態(tài)，即再增加f，邊坡將發(fā)生剪切破壞，此時的f被稱為穩(wěn)定性系數(shù)或安全系數(shù)[5-7]。強度折減法可表示為：

3.數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)

3.1錨桿支護(hù)角度對邊坡穩(wěn)定性的影響

將錨桿打入邊坡土體中，當(dāng)土體在自身重力與外在載荷作用下發(fā)生塑形變形，土體與錨桿的變形模量存在很大差異，土體與錨桿產(chǎn)生變形量不同，存在相互錯動的趨勢，產(chǎn)生摩擦阻力阻礙土體的滑動，因此提高土體的抗剪強度，使整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)性能顯著提高的支護(hù)方法。

算例概況：邊坡坡長10米，將5根長3米的錨桿以2米間隔均勻支護(hù)在邊坡。邊坡彈性模量E1=28.5MPa，泊松比0.25，內(nèi)聚力C=19KPa，內(nèi)摩擦角φ=20°，土體密度為1830 kg/m3。錨桿彈性模量E2=170GPa，泊松比0.3，密度為7960 kg/m3，直徑D=22mm。

ANSYS模擬錨桿一般采用將link1單元，巖體采用4節(jié)點平面應(yīng)變單元plane42劃分，單元屈服準(zhǔn)則為DP準(zhǔn)則，邊界條件為左右兩側(cè)約束水平位移，下部為固定約束，上部為自由邊界。建模并劃分網(wǎng)格后，經(jīng)ANSYS運算未加支護(hù)的邊坡安全系數(shù)f1，在邊坡按不同角度錨桿支護(hù)其各個角度的安全系數(shù)f2、f3、f4等，錨桿角度按邊坡內(nèi)法線為軸線順時針角度為正，逆時針為負(fù)。

從圖1可以看出當(dāng)無錨桿時邊坡的安全系數(shù)很小，打入錨桿后，在錨桿的支護(hù)力下邊坡安全系數(shù)得到明顯提升。當(dāng)錨桿支護(hù)角度不斷增大，邊坡塑性區(qū)滑裂面與錨桿之間的角度也相應(yīng)增大，在不斷強度折減下的邊坡當(dāng)達(dá)到臨界情況下滑動面整體逐漸后移，坡頂貫通區(qū)逐漸后移，滑動面范圍逐漸增大，相對滑動趨勢逐漸增大。同時邊坡安全系數(shù)增加，邊坡穩(wěn)定性提高。endprint

從圖2可以得出，繼續(xù)增大錨桿角度，滑動面前移，坡頂貫通區(qū)逐漸前移，邊坡危險滑動面與穩(wěn)定土體接觸范圍逐漸減小。邊坡安全系數(shù)減小，邊坡穩(wěn)定性降低。錨桿支護(hù)角度與安全系數(shù)規(guī)律如圖3所示：

從圖3折線分析圖可以看出，進(jìn)行錨桿加固后邊坡的安全系數(shù)顯著提高，錨桿的角度對支護(hù)效果影響較為顯著，從圖1與圖2中塑形應(yīng)變最大值一般發(fā)生在邊坡坡腳處，坡腳點是邊坡危險點。當(dāng)坡腳處水平位移增大，邊坡有滑動趨勢，因此將坡腳處設(shè)置觀測點，取出坡腳點水平位移數(shù)據(jù)如表1：

從圖4可以看出邊坡坡腳處節(jié)點的水平位移在錨桿的支護(hù)作用下有明顯的限制。其位移隨錨桿角度增大，先減小后增大。當(dāng)錨桿角度 時水平位移最小，邊坡的安全系數(shù)也最高，此時錨桿對坡腳的加固效果最好。

3.2錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

為了進(jìn)一步研究錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性的影響，為確保單一變量，我們固定支護(hù)角度為15°。通過設(shè)置3m、4m、5m、6m、7m，5組長度不同的錨桿為實驗變量，進(jìn)行支護(hù)效果數(shù)值模擬。通過對比5組安全系數(shù)，分析錨桿長度對支護(hù)效果的影響。

圖5所示隨著錨桿長度的不斷增加，錨桿與土體的接觸面積增大，錨桿與土體粘結(jié)成整體，抗滑性提高。邊坡塑性區(qū)逐漸后移，滑裂面的范圍逐漸變大。通過表2，邊坡的安全系數(shù)隨錨桿長度增加而增大，邊坡穩(wěn)定性提高。邊坡底角水平位移隨錨桿的長度增加而減小。

4.結(jié)論

通過對比不同錨桿支護(hù)角度與不同錨桿長度對邊坡進(jìn)行支護(hù)的塑性區(qū)變化情況和觀測點位移情況可以初步得出錨桿對邊坡支護(hù)效果的結(jié)論歸納如下：

（1）用ANSYS對邊坡進(jìn)行有限元分析時，邊坡的滑裂面伴隨塑性區(qū)發(fā)展，當(dāng)塑性區(qū)從坡腳貫通到坡頂時，邊坡發(fā)生剪切破壞。

（2）對邊坡加錨桿可以顯著削弱塑性區(qū)的發(fā)展，并有效減小邊坡觀測點上水平方向的位移，顯著增加邊坡安全系數(shù)，提高邊坡的抗滑性能，提高其穩(wěn)定性。

（3）當(dāng)在不同角度加入錨桿時，錨桿的工作效果會明顯不同。當(dāng)錨桿與邊坡內(nèi)法線方向夾角在15°時，邊坡滑裂面范圍最大，邊坡的安全系數(shù)達(dá)到最大，并且邊坡觀測點位移最小，支護(hù)效果最佳。

（4）隨著錨桿長度的增加，邊坡塑性區(qū)范圍增大，安全系數(shù)增大，觀測點水平位移減小。因此錨桿越長支護(hù)效果越好，但施工中也應(yīng)考慮到經(jīng)濟(jì)與施工難度的問題，不能一味增加錨桿長度，應(yīng)結(jié)合邊坡安全規(guī)范找到最合適的錨桿長度。

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