預應力錨桿排布方式對土質邊坡支護效果的影響

宋 治

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

在邊坡預應力錨桿支護的設計中，合理的選擇錨桿布置參數以及排布方式，對于提升邊坡穩定性和控制工程成本，具有重要的意義。因此，國內的眾多學者也對此進行了研究，取得了豐碩的成果。其中在錨桿參數布置方面，張季如、林杭等[1,2]分別借助于錨桿現場試驗和數值模擬分析，研究了錨桿長度對錨固效果的影響，提出了有效錨固長度的概念；蔣明杰等[3]通過對公路邊坡錨固結構的分析，確定了錨桿(索)最佳錨固角的表達式；楊濤等[4]研究了預應力錨索地梁中合理確定錨固角的方法,定義了預應力的利用率,提出了以初判條件和預應力利用率為主來錨固角的方法；楊自友等[5]通過實驗室地質力學模型試驗,研究了長度相同而間距不同的錨桿對洞室圍巖的不同加固效果。在錨桿排布方式方面，林杭等[6]探究全長粘結錨桿長短相間的形式、布置位置的變化對錨固結果的影響，結果表明隨著錨桿布設位置的下移,邊坡安全系數呈先增大后減小的趨勢,當錨桿布設在坡面中下部時得到的安全系數最大；馬國慶等[7]進行了錨桿長度等差變化對多級邊坡支護效果的數值模擬，但結果顯示這種變化對邊坡穩定性影響很小。

在錨桿布置形式的研究中，數值模擬能夠很好的體現邊坡在不同加固形式下滑動面、穩定性系數、潛在位移、剪應變等的變化。因此，本文采用Flac3D建立典型的土質邊坡模型，在錨桿數量、長度、間距、錨入角度等因素均相同的前提下，探究預應力錨桿的坡面排列方式，排布位置以及布置密度的變化對錨固效果的影響，從而為土質邊坡預應力錨桿的合理設計和施工提供一定的建議。

2 模型的設置

數值模擬選取的土質邊坡高為14 m,坡率為1∶1，寬度為10 m,如圖1所示。

模型下側邊界和右側邊界固定，側向約束水平位移，上部和左側為自由邊界。模型的初始應力場設定為自重應力場，并在初始狀態計算時予以考慮。土質邊坡的各項參數取值按如表1所示，在安全系數計算時，使用Flac3D自帶的強度折減法，得到未錨固前的安全系數為1.00，其潛在滑動面如圖2所示。進行錨固分析時，選擇預應力錨桿，分別設置不同的參數模擬預應力錨桿的錨固段和自由段，在錨桿的自由段施加60 kPa的預緊力，并通過在錨頭位置設置剛性連接模擬托盤。錨桿的各項材料和布置參數如表2所示，在以下的分析中均保持不變。

表1 土質邊坡的各項參數

3 分析與討論

3.1 不同排列形式的預應力錨桿支護

根據相關規范及實際施工需要，邊坡錨桿加固一般布置為矩形或菱形(交錯型)，其中菱形布置可以分為同側交錯和異側交錯。此次模擬設定的布置方法如圖3所示，每種方式布置錨桿16根，除布置形式外，其余參數均按照表2進行取值，得到支護效果如表3所示。

表2 預應力錨桿的各項參數

表3 錨桿的三種排列形式支護效果對比

由表3可知，三種排列形式的錨桿支護都取得了比較好的支護效果，支護之后邊坡的安全系數明顯提高，潛在位移得到了控制。在其他條件均相同的條件下，菱形布置能取得相對更好的支護效果，得到的安全系數稍高。在實際的邊坡支護中，出于護坡和綠化的需要，錨桿之間需要連接砌筑，矩形布置更便于施工，且與菱形布置取得的支護效果近似。因此，在中小型邊坡預應力錨桿支護的設計中，在工程預算和其他條件一致的情況下，可以選擇矩形排列形式布置，這也與實際的工程應用情況一致。

3.2 不同排布位置的預應力錨桿支護

根據以上分析可知，不同布置形式的預應力錨桿對邊坡有著相近的支護效果。下面以矩形排布方式為例，將錨桿布置在邊坡坡面的不同位置(如圖4所示)，研究其排布位置對土質邊坡支護效果的影響。試驗模擬中，預應力錨桿除排布位置外，其他參數保持不變，按照表2進行取值，得到的支護效果如表4所示。

從表4可知在布置形式等其他條件相同的情況下，錨桿的布置位置對支護效果的影響很大，錨桿布置越靠近邊坡坡腳，其安全系數越大。分析可知，這是由于初始條件下，此邊坡的潛在滑出區位于坡腳位置，當預應力錨桿的布置靠近滑出區時，依靠錨桿的擠壓加固作用，能最大程度地阻止邊坡的因剪切破壞而滑出，從而得到最好的錨固效果。

表4 錨桿的不同排布位置支護效果對比

3.3 不同密度分配的預應力錨桿支護

錨桿的密度是指單位面積內布置錨桿的數量。在邊坡錨固方案中，為了簡化設計和加快施工進度，大多直接將整個坡面的錨桿密度設置為均布，但對于密度均勻分配是否為最佳形式，并沒有直接說明。為了研究相同錨桿數量、相同排布方式、相同排布位置的情況下，預應力錨桿密度分配方案對支護效果的影響，將坡面分為上下兩側，使用相同數量的錨桿，但采取不同的密度分配方案。具體的布置形式如圖5所示，除密度分配方案不同外，錨桿布置的其他條件均相同，按照表2進行取值。

將以上三種不同錨桿密度分配的預應力錨桿進行Flac3D支護模擬，得到的支護效果如表5所示。

表5 錨桿的不同密度分配支護效果對比

由表5可知，三種錨桿密度分配方案下，均能對邊坡取得很好的加固效果，坡體安全系數大幅提升，坡面潛在位移消失。比較安全系數可知，在錨桿布置位置和布置數量確定的情況下，在下側增加錨桿密度(布置更多的錨桿)，取得的支護效果更好。一般而言，邊坡的水平應力大小與其位置有關，下側具有更大的初始應力，在下側適當的增加預應力錨桿密度，能充分發揮錨桿自身的擠壓作用，防止土層因初始水平應力而引起的錯動，從而達到更好的支護效果。

4 結語

本文采用Flac3D軟件探究了預應力錨桿的坡面排列形式、錨桿排布位置以及錨桿密度分配對土質邊坡支護效果的影響，得到以下結論：

1)邊坡錨桿加固常用的坡面排列方式包括矩形和菱形，在其他條件相同的情況下，菱形排列方式相對更好。

2)錨桿的排布位置對預應力錨桿的支護效果影響很大，靠近邊坡的潛在滑出面(一般在邊坡中下部)布置錨桿，能取得最好的加固效果。

3)在錨桿布置數量和排布位置確定的情況下，可以適當地將靠近下部的位置增加錨桿密度。相對于均勻布置，這種方案能取得更好的支護效果。