格構梁聯合錨桿在順層巖質邊坡加固中的數值模擬分析

張 勇 吳禮浩 方龍建

(1.江蘇地質基樁工程公司，江蘇 鎮江 212001； 2.江蘇省地質礦產局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212001)

0 引言

巖層走向和傾向與邊坡走向和傾向一致的邊坡稱為順層或順傾邊坡,其余的叫反傾或斜向邊坡[1]。在實際工程中劃分歸類時,通常將走向與巖層走向夾角小于20°或者傾向接近的邊坡定義為順層邊坡。對于順層巖質邊坡的穩定性受多種因素影響，首先取決于層巖傾角、地層巖性、結構面等內因。除此以外還包括地下水的作用和開挖坡角、邊坡高度、爆破震動效應、地震效應等其他因素，所以會在邊坡工程中產生較多的影響[2]。對于順層巖質邊坡穩定加固治理前人提出如下加固措施：白松松等[2]，為了充分發揮抗滑樁其抗滑能力大、樁位靈活、設備簡單、施工方便、經濟有效等優點，通過對抗滑樁受力理論分析和室內縮尺模型試驗進行驗證，得出結論抗滑樁可以提高巖質邊坡的穩定系數。張小勇等[3]，通過赤投影法判斷順層巖質邊坡的穩定性，提出采用微型樁對邊坡進行加固設計，按設計加固方案加固后的邊坡穩定系數計算結果滿足設計安全要求。舒海明等[4]，通過對大錨桿受力性能分析，以及在工程中應用的成功案例，介紹了大錨桿對順層巖質邊坡加固技術應用。隨著我國山區高速公路工程建設的大力發展, 錨桿作為一種重要的邊坡錨固技術, 在邊坡加固中的應用越來越普遍。錨桿加固具有主動受力的作用, 通過錨固段提供錨拉力, 通過自由段實現預加應力,使用錨固技術可以大大改善巖土體的應力狀態, 提高巖土體的整體性、承載力及穩定性[5]。前人學者對順層邊坡加固治理措施的理論分析與模擬在實際工程應用中都具有一定的局限性，抗滑樁雖然可以充分利用樁身高強度提高邊坡穩定性但是在硬質巖層成孔困難。大錨桿或者微型樁能夠解決施工難度但是其自身整體性較差。

本文提出格構梁配合錨桿加固順層巖質邊坡，錨桿在硬質巖層成孔相對抗滑樁施工相對較簡單，格構梁配合錨桿相比大錨桿、微型樁、混凝土素樁等整體性較好。通過大型通用有限元軟件MIDAS-GTS進行建模分析，對錨桿及格構梁配合效果進行穩定分析，通過分析對比總結得出：格構梁配合錨桿不僅可解決施工難題,同時也可以加強順層巖質邊坡中潛在滑動層和邊坡的整體穩定性并提高邊坡整體的安全穩定性系數。

1 格構梁配合錨桿在順層巖質邊坡加固治理受力機理

順層巖質邊坡的穩定性受多種因素影響，首先取決于層巖傾角、地層巖性、結構面等內因。除此以外還包括地下水的作用和開挖坡角、邊坡高度、爆破震動效應、地震效應等其他因素。所以會在邊坡工程中產生較多的影響[6]。

采用錨桿加固方法可以對邊坡的變形有阻止作用。在坡面設置格構梁，可以加強坡體的整體性。在錨桿加固的作用范圍上，可以對邊坡的應力集中進行釋放，減緩邊坡的局部破壞。對被加固邊坡而言，錨桿主要作用是將邊坡下滑體的下滑力傳遞到邊坡基巖層深處，這樣提高了邊坡的抗滑力值，從而邊坡的穩定性得到提升。錨桿實際上是承受下滑體和基巖錯動產生的剪力而產生的拉應力作用，錨桿處于受拉狀態。錨桿的軸力是沿錨桿線性變化，在潛在滑動面處錨桿的軸力處于最大值狀態，見圖1。

錨桿聯合格構梁加固措施，可以充分發揮基巖的強度使得潛在滑動體和基巖聯合成為一個整體受力基體。使用格構梁可以增加錨桿加固影響范圍使得上層潛在滑動層通過錨桿連接和基巖形成一個穩定的邊坡體。錨桿通過錨固段與基巖緊密相連，錨固段長度和基巖情況決定了錨桿的抗拔承載力大小。錨桿數量和格構梁界面尺寸和間距布置情況取決于錨桿的抗拔承載力設計值。

2 錨桿聯合格構梁加固邊坡數值分析驗證

2.1 MIDAS-GTS邊坡計算分析原理

MIDAS-GTS采用摩爾—庫侖強度準則理論，模擬土體飽水工況條件下分析邊坡的穩定狀態。在數值模擬分析中，以收斂的非線性靜力工況計算下的邊坡各土體單元位移大小來衡量邊坡各部位的穩定性是最為直觀的定量描述，而采用強度折減法計算的邊坡穩定安全系數是表征邊坡穩定性的關鍵性指標。其中強度折減法是通過不斷減少邊坡巖土體抗剪切強度參數的賦值如粘聚力c和內摩擦角φ直至達到極限破壞狀態為止，根據彈塑性有限元計算結果得到滑動破壞面，同時得到安全系數[7-9]。

2.2 材料本構參數

在本文數值模擬驗證中基巖的本構關系模型選用德魯克—普拉格(Drucker-Prager)模型，該模型下的巖體本構關系主要由五個參數來確定，分別是巖體的彈性模量、密度、泊松比、內摩擦角以及粘聚力。D-P本構模型適用于巖石地基條件下的各類工程的模擬計算，運行效率較高，計算精度的準確與否與所選參數的正確性密切相關[10]。表層下滑體選擇摩爾—庫侖本構模型。格構梁使用的混凝土材料和錨桿使用的鋼筋都選擇彈性本構模型，見表1。

表1 模型材料參數

2.3 數值模型

考慮到坡面施工格構梁，本次模型建立三維實體單元。其中格構梁采用梁單元，錨桿錨固段選用梁單元，自由段選用植入式桁架，邊坡土體和基巖選用實體單元模擬。模型設置長120 m，寬30 m，高70 m，坡腳基巖層長16 m。模型效果如圖2所示。模型邊界約束條件設置為四周對應限制水平位移，底邊設置水平和豎向約束，邊坡表面為自由面。

邊坡加固措施為本文前面提到的錨桿聯合格構梁加固方案，加固作用如圖3所示。為了對比分析錨桿聯合格構梁對順層巖質邊坡加固效果，本文分別對原狀邊坡安全系數分析、對邊坡進行采取錨桿預應力加固措施以及錨桿聯合格構梁加固措施進行對比，見表2。

表2 截面和接觸特性參數

名稱Kn/kN·m-2kt/kN·m-2C/kN·m-2?/(°)D/mm備注錨桿錨固段100 000100 0005023110—錨桿自由段————32預應力40 kN格構梁400×400—

2.4 結果分析

首先對巖質順層邊坡原狀采用強度折減法進行安全系數分析，分析結果邊坡穩定系數值為1.025邊坡處于非穩定狀態，邊坡最大剪應力變形云圖如圖4所示，剪切滑動帶貫穿整個邊坡體。對邊坡采用錨桿加固后邊坡穩定性系數提高為1.212，此時邊坡處于穩定狀態。邊坡最大剪切變形如圖5所示，在錨桿加固作用下坡體的剪切應變明顯變小，而且在沒有上下貫通的滑動帶產生。對邊坡采用錨桿聯合格構梁進行加固處理，邊坡安全穩定系數變為1.378，邊坡穩定性提高更大，邊坡最大剪切應變如圖6所示，坡體剪應變主要集中在坡腳處。

3 總結分析

本文結合前人對順層巖質邊坡加固措施研究，提出采用錨桿聯合格構梁措施加固順層巖質邊坡。介紹了錨桿聯合格構梁施工方案的受力機理以及兩者結合的優點，并利用MIDAS-GTS大型通用有限元軟件根據強度折減法對順層巖質邊坡穩定性分析，通過對比采用加固措施及加固措施不同總結如下結論：

1)單純采用錨桿加固順層巖質邊坡穩定系數不如采用錨桿聯合格構梁加固穩定性大。

2)此次模擬分析采用錨桿加固順層巖質邊坡安全系數為1.212提高約為18%，而采用錨桿聯合格構梁加固邊坡安全穩定系數為1.378提高約為34%，比起單獨使用錨桿效率更高，邊坡穩定系數更安全。

3)如果施工抗滑樁比較困難而且單獨采用錨桿加固邊坡穩定性系數達不到穩定性要求可以考慮采用錨桿聯合格構梁加固順層巖質邊坡。