基于強度折減法的多錨加固邊坡穩定性分析*

傅建紅，劉 澤，陳 高，沈興沉

（1.浙江交工宏途交通建設有限公司，浙江 杭州 310051；2.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201；3.浙江交工國際工程建設有限公司，浙江 杭州 310051）

山區高速公路的修建，常常伴隨有高挖深填的現象，從而造成了大量的人工邊坡和次生邊坡，保證這些邊坡的穩定性是道路安全運行的前提。在邊坡支護結構中，錨桿框格梁是常用的結構形式之一[1]。錨桿通過發揮其自身的高強度特性將破碎圍巖和深層巖體緊密結合在一起，從而提高了邊坡整體的穩定性。在錨固體系中，錨桿發揮著極其重要的作用，同時錨桿參數的選取也直接影響著邊坡的支護效果。

目前有很多學者對錨桿加固邊坡的穩定性進行了研究：李忠[2]針對土質邊坡的破壞模式，采用極限平衡法對錨桿加固邊坡的穩定進行了研究，建立了邊坡最危險滑動面的搜索模型，并給出了邊坡滑裂面中心所處位置與穩定系數之間的函數關系。孫國棟[3]針對凍土邊坡的特點，通過考察凍土邊坡的滑移實例及其破壞形式，提出了高陡邊坡的凍融折線型滑移面，在考慮凍融循環下坡體損傷、坡體滲流及溫度變化三種影響因素下，給出了凍土區域錨桿加固邊坡的穩定性計算方法。張妙芝[4]研究了地震作用下錨固邊坡的穩定性變化規律及錨桿預應力的動力響應規律，指出地震作用下，作用于邊坡不同位置處的錨桿其動力響應具有很大的差別，坡頂處錨桿的動力響應較大。韓愛民[5]結合實際工程，采用數值模擬研究了錨固邊坡錨桿的力學行為，對支護體系和加固坡體之間相互作用的空間力學效應進行了研究。這些研究為錨固邊坡的設計提供了充分的理論依據，對工程施工具有很好的指導意義。

為進一步研究多錨加固邊坡的加固效果，文章結合鄭西（鄭州至西峽）高速公路EK1+640斷面深路塹邊坡的施工，采用FLAC3D建立數值分析模型，基于強度折減法對多錨加固邊坡的穩定性進行分析，以討論錨桿參數對深路塹邊坡穩定性的影響。

1 工程背景與分析方法

1.1 工程背景

為研究多錨加固深路塹邊坡的穩定性，依托工程鄭西（鄭州至西峽）高速公路EK1+640斷面深路塹邊坡為背景建立數值分析模型。EK1+640斷面深路塹邊坡高70.6m，分七級進行開挖，每級邊坡開挖深度為10m。首先對單級邊坡的穩定性進行分析，以底部一級邊坡為例，將該級邊坡上部巖土體轉換成等效荷載進行計算，如圖1所示。該級邊坡采用錨桿進行支護，邊坡坡率為1∶0.75，每根錨桿長9m，錨孔為直徑為90mm，錨桿間垂直間距為2m，錨桿與水平方向的夾角為20°。

圖1 EK1+640深路塹邊坡底部一級斷面圖

1.2 模型建立

采用FLAC3D建模，并基于強度折減法進行邊坡穩定性分析。數值分析模型依照EK1+640斷面深路塹邊坡底部一坡斷面按1∶1建立，如圖2所示。為便于計算，沿路線方向取y=6m。錨桿采用FLAC3D自帶的錨索單元（cable）模擬，框格梁采用梁單元（beam）模擬，梁截面尺寸為200mm×200mm，框格梁垂直間距為2m，沿路線方向間距同樣為2m。模型計算前，固定模型底部節點所有方向的速度，以及固定前后側面節點x方向速度和左右側面節點y方向速度，只留坡面和模型頂面作為自由面。邊坡巖土體、錨索和梁的力學參數表如表1、表2、表3所示。

2 計算結果分析

2.1 錨桿加固效果

錨桿加固前后邊坡的水平位移云圖如圖3所示。由水平位移云圖可知，錨桿加固前，邊坡的水平最大位移出現在坡體內部，這和分級開挖時邊坡頂部等效均布荷載的分布特點有關。錨桿加固后，面坡處的水平位移有明顯下降，坡體內部的最大水平位移場向錨桿作用范圍內進行了延伸，這主要是因為在錨桿的作用下，沿錨桿長度范圍內的巖土體和深層巖體聯系在了一起，在邊坡頂部等效均布荷載的作用下，深層巖體產生較大的水平位移的同時，錨桿長度范圍內巖土體的水平位移也同樣有所增加。

圖2 單級錨桿支護邊坡分析模型

表1 邊坡巖土體的力學參數

表2 錨索單元的力學參數

表3 梁單元的力學參數

圖3 錨桿加固前后邊坡水平位移云圖

錨桿加固前后邊坡的水平應力云圖如圖4所示。由水平應力云圖可知，錨桿加固前，邊坡的最大水平應力約為0.43MPa，面坡處最大水平應力約為5.38kPa。錨桿加固后，由于邊坡進行錨桿框格梁加固后，錨桿、框格梁二者共同發揮作用，錨桿作用范圍內巖土體的剛度增大，使得面坡處巖土體的應力狀態發生改變，尤其對于水平應力而言，在錨桿作用下錨桿端部巖土體產生一定范圍的壓應力區，這在很大程度上增加了邊坡的穩定性。

圖4 錨桿加固前后邊坡水平應力云圖

錨桿加固前后邊坡剪應變增量云圖如圖5所示。由圖5可以知道，由于僅考慮了巖土體的自重荷載（坡頂等效均布荷載也為上級各邊坡的自重荷載轉換而來），因此荷載大小小于坡體的極限荷載，錨桿加固前后邊坡的最大剪應變區均沒有形成貫通的滑裂面，但是坡體內部潛在滑裂面的位置發生了變化。同時還可以看到，錨桿加固前邊坡的穩定性系數為1.41，錨桿加固后邊坡的穩定性系數為1.6，錨桿的加固作用明顯提高了邊坡的穩定性。

2.2 錨桿參數對邊坡穩定性的影響

（1）錨桿安裝角度的影響。保持錨桿原安裝參數不變，僅改變錨桿的安裝角度，分別取錨桿安裝角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°對錨桿加固邊坡進行計算，以分析錨桿安裝角度對邊坡加固效果的影響，探討安裝錨桿的最優角度范圍。錨桿不同安裝角度時邊坡穩定性系數如圖6所示。與未進行錨桿加固的邊坡穩定性系數相比，無論錨桿安裝角度為多大，采用錨桿加固后邊坡的穩定性均有明顯的提高。對圖6進一步分析可知，當錨桿安裝角度為5°時，加固后邊坡的穩定性系數最低，為1.54；當錨桿安裝角度為30°時，加固后邊坡的穩定性系數最高，為1.63，隨后隨安裝角的增加而減小。可見，錨桿的最佳安裝角度應為20～30°。

圖5 錨桿加固前后邊坡剪應變增量云圖

（2）錨桿長度的影響。保持錨桿原安裝參數不變，僅改變錨桿的長度，分別取錨桿長度4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m對錨桿加固邊坡進行計算，以分析錨桿長度對邊坡加固效果的影響。錨桿不同長度時邊坡穩定性系數如圖7所示。可以看到，進行錨桿加固后邊坡的穩定性系數均大于未支護邊坡的安全值1.40。當錨桿長度小于8m時，加固后邊坡的穩定性系數均不超過1.57，加固效果并不明顯。可見，錨桿的安裝長度應不小于8m。

3 結束語

（1）結合工程實例，對多錨加固邊坡進行了強度折減分析，錨桿加固前邊坡的穩定性系數為1.41，錨桿加固后邊坡的穩定性系數為1.6，錨桿的加固作用明顯提高了邊坡的穩定性。

圖6 錨桿不同安裝角度時邊坡穩定性系數

圖7 錨桿不同安裝角度時邊坡穩定性系數

（2）保持錨桿原安裝參數不變，僅改變錨桿的安裝角度，分析了錨桿安裝角度對邊坡加固效果的影響，結果表明，錨桿的最佳安裝角度應為20～30°。

（3）保持錨桿原安裝參數不變，僅改變錨桿的長度，分析了錨桿安裝長度對邊坡加固效果的影響，通過計算可知，錨桿的安裝長度應不小于8m。