路塹高邊坡錨索格梁支護體系受力特征及設計方法研究*

蘇紅軍，姜早龍，陳大川，李 荷

(1.中交第三公路工程局，北京 100102；2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082；3.湖南湖大建設監理有限公司，湖南 長沙 410082)

0 引言

隨著交通基礎設施的快速發展，高速公路網不斷向山區延伸[1]。在山區公路建設中，常常存在土質挖方邊坡高度大于20m或巖石挖方邊坡高度大于30m的路塹高邊坡[2]。與普通邊坡相比，高邊坡巖土體的重力勢能較大，具有從高處向低處滑動的趨勢，一旦失穩會產生滑坡、塌方等突發性災害，造成極大傷害[3-4]。

預應力錨索格梁支護體系對路塹高邊坡具有較好的治理效果[5]。近年來，不少學者對錨索格梁支護體系進行了相關研究，趙久歡[6]結合實際案例研究了錨索格梁支護體系的固坡機理。ZHANG等[7]研究了錨索格梁支護體系的抗震性能。LI等[8]建立預應力錨索格梁張拉階段的力學模型，研究了格梁內力的分布規律。王渭明等[9]對錨索預應力損失情況進行了研究。此外，也有學者關注錨索格梁體系在具體應用中存在的問題，并提出相應的質量控制要點[10-11]。

現有研究成果多集中在錨索格梁支護體系的構件受力特征或施工應用方面，少有學者關注錨索設計參數對邊坡穩定性的影響。同時，目前的錨索格梁支護結構設計大多依靠以往經驗，理論和規范依據不足，具有一定的盲目性。基于此，本文以湖南省某高速公路路塹高邊坡工程為依托，結合有限元模擬軟件FLAC3D，建立三維數值模型，并分析了錨索間距、錨固角度、錨固長度等設計參數對錨索格梁支護體系受力特征及邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

某高速公路項目位于湖南省中部，全長7.47km。全線采用四車道高速公路標準建設，K0—K27+455段設計速度為100km/h，路基寬26.0m；K27+455至終點段設計速度為80km/h，路基寬25.5m。項目路線走廊帶穿越雪峰山腹地，沿線地形起伏大，斜坡自然坡度為25°～35°，最大邊坡高度約40m。

1.1 工程地質條件

邊坡主要為強風化花崗巖、全風化花崗巖、粉質黏土，屬土巖質邊坡。坡向與巖層傾向呈小角度相交，為層狀同向結構。坡體中強風化巖節理裂隙較發育、碎石抗沖刷能力較差。施工擾動可能產生順層滑坡、小規模坍塌或碎落等現象。

1.2 邊坡支護方案初步設計

根據初步支護方案，路塹邊坡設計采用四級臺階式，上緩下陡，每10m一級，自下而上坡度分別為：1∶0.75，1∶1，1∶1，1∶1.25，平臺寬2m。第1級邊坡采用格梁錨桿植草防護，錨桿設計張拉力為100kN，長10m，錨固長度為4m；第2級邊坡采用錨索格梁防護；第3級邊坡采用人行骨架植草防護；第4級邊坡采用三維網植草防護。為降低錨索設計難度、減少優化變量個數，對第2級邊坡的錨索格梁設計參數進行分析與優化。

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

根據邊坡支護相關理論和文獻[12]，做出如下假定。

1)土體為均質、各向同性的連續體，符合莫爾-庫侖屈服準則，其材料參數滿足莫爾-庫侖本構關系。

2)視邊坡問題為平面應變問題，不考慮坡長對計算結果的影響，在最大坡高處取16m寬為研究對象。

2.2 參數選取

各巖土層關鍵參數由現場取樣試驗確定，具體數值如表1所示。

表1 各巖土層力學參數

模型材料包括錨索、錨桿、格梁等。預應力錨索彈性模量為19.5×104MPa，抗拉強度為1 860MPa，錨固段采用M30水泥砂漿，設計張拉力為550kN；預應力錨桿彈性模量為20.0×104MPa，抗拉強度為340MPa，黏結砂漿為M30水泥砂漿，設計張拉力為120kN；鋼筋混凝土格梁采用C30混凝土，橫截面尺寸為0.4m×0.4m，彈性模量為3×104MPa，抗壓強度為20.1MPa，抗拉強度為2.01MPa。

2.3 模型建立

采用有限元軟件FLAC3D建立邊坡三維數值模型，模型尺寸為84.75m×12m×50m(長×寬×高)。巖土體采用8結點六面體單元和6結點楔形體單元模擬，錨索采用cable單元模擬，鋼筋混凝土格梁采用beam單元模擬。模型底部施加固定約束，其他自由面施加法向位移約束。模型共39 040個結點，34 965 個單元，如圖1所示。

圖1 邊坡三維數值模型

3 邊坡穩定性的影響參數分析

由相關研究[13]可知，錨索設計參數對錨固效果有顯著影響。因此，本文以實際工程為依托，構建三維數值模型，研究錨索間距、錨固角度、錨固長度等不同參數下錨索格梁支護體系的受力特征及邊坡穩定性變化規律。

3.1 邊坡穩定性分析方法

采用強度折減法計算邊坡安全系數，進行穩定性分析。邊坡安全系數為巖土體實際抗剪強度與臨界破壞時折減剪切強度的比值，表示邊坡剛好達到臨界破壞狀態時，巖土體抗剪強度的折減程度[14]。本文主要通過折減巖土體的黏聚力和摩擦角，根據式(1)，(2)進行安全系數計算。

(1)

(2)

式中：ctrial為折減后的黏聚力；φtrial為折減后的內摩擦角；Ftrial為安全系數。

參考GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》[15]，結合本工程實際情況，確定邊坡穩定安全系數為1.3。根據安全系數Fs，將邊坡穩定性狀態分為不穩定(Fs<1.00)、欠穩定(1.00≤Fs<1.05)、基本穩定(1.05≤Fs<1.3)和穩定(Fs≥1.3)4種狀態。

3.2 天然邊坡穩定性分析

對無支護天然邊坡的整體穩定性及各方向位移進行模擬分析，并利用強度折減法對開挖后邊坡的安全系數進行計算，結果如圖2所示。

圖2 無支護狀態下邊坡的數值分析結果

由圖2可知，無支護狀態下，邊坡最大水平位移為83.1cm，位于坡體底部；邊坡最大豎向位移為33.9cm，位于坡體頂部；邊坡潛在滑動面貫穿整個自由邊坡面，且滑動面外側區域各網格點的位移速度、位移量明顯大于其他區域。同時，經計算可得邊坡安全系數Ftrial僅為1.08，安全系數較低，邊坡未達到穩定狀態，需采取加固措施進一步加強邊坡穩定性。

3.3 錨索間距影響性分析

為研究錨索間距對格梁受力與邊坡穩定性的影響，在2級邊坡建立錨索格梁體系，設置3，4，5，6m 4種錨索間距工況，通過數值模擬得到不同錨索間距下的安全系數與格梁彎矩值，如表2所示。

表2 不同錨索間距下的安全系數與格梁彎矩

由表2可知，錨索間距由6m減小到5m時，安全系數增幅較大，邊坡由基本穩定狀態變為穩定狀態。錨索間距<5m時，縮小錨索間距對邊坡整體穩定性影響不大。格梁負彎矩基本大于正彎矩；錨索間距對格梁彎矩值影響較大，錨索間距為5m時，格梁負彎矩達到最大值，為94.81kN·m，此時格梁處于最不利受力狀態。綜上，錨索間距設計應小于5m。

3.4 錨固角度影響性分析

GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》中規定預應力錨索錨固角取值范圍為15°～35°[15]。為研究錨索錨固角對邊坡穩定性及格梁受力的影響，結合工程實際，設置15.0°，20.0°，22.5°，25.0° 4種預應力錨索錨固角工況，模擬得到不同錨索錨固角下的安全系數與格梁彎矩，如表3所示。

表3 不同錨索錨固角下的安全系數與格梁彎矩

由表3可知，錨索錨固角度在15°～25°時，邊坡安全系數變化幅度較小，但均大于1.3，滿足穩定性要求，表明錨固角度的改變對邊坡穩定性影響較小。錨固角度由15°增加到22.5°時，格梁正彎矩略有增加，負彎矩明顯減小；當錨固角度由22.5°增加到25°時，格梁正彎矩減小，負彎矩增大。綜上，最優錨固角度為22.5°，此時格梁負彎矩值最小，為68.09kN·m。

3.5 錨固長度影響性分析

錨索的錨固長度是影響錨索極限承載力及邊坡防治效果的重要參數。結合工程實際，設置6，8，10，12m 4種錨固長度工況進行模擬，得到不同錨索錨固長度下的安全系數與錨索極限軸力，如表4所示。

表4 不同錨索錨固長度下的安全系數與錨索極限軸力

由表4可知，隨著錨索錨固長度增加，邊坡穩定性略有改善，但影響較小。錨索錨固長度對錨索受力特征影響較明顯，隨著錨索錨固長度的增加，頂層錨索的極限抗拉力得到顯著提高，中層與底層的錨索極限抗拉力呈減小趨勢。當錨固長度增加到10m后，頂層錨索的極限抗拉力增幅不再顯著。

4 錨索格梁支護體系設計與驗證

4.1 支護方案設計

基于錨索格梁支護體系設計參數影響性分析結果，確定本工程第2級邊坡錨索格梁體系的支護方案設計參數，即錨索間距4m，錨固角度22.5°，錨固長度10m，預應力錨索設計張拉力為550kN。建立有限元數值模型，如圖3所示。得到邊坡巖土體的最大剪應變速率，如圖4所示。

圖3 實際邊坡數值模型

圖4 邊坡數值模擬結果

由圖4可知，與無支護天然邊坡相比，采用錨索格梁支護設計方案后，邊坡滑動整體上移，且滑動面范圍顯著縮小，并由沿整個坡面滑動變為沿3,4級邊坡滑動，邊坡整體穩定性有明顯提高。

4.2 監測數據驗證

為檢驗設計邊坡的實際穩定性，施工完成后進行現場監測，測點布置如圖5所示，監測結果如圖6所示。

圖5 邊坡錨索索力和位移監測點布設

圖6 錨索索力和邊坡土體位移變化曲線

由圖6可知，實際錨索索力在1年監測期內較穩定，無索力突增現象；鋼筋混凝土格梁無開裂現象；監測初期邊坡土體位移變化幅度較大，隨著時間的推移，土體位移變化速率顯著減小，在7個月后趨于穩定，此時坡體深部最大位移速率、地表最大位移速率均小于2mm/d，在允許范圍內。綜上，高邊坡支護設計方案是可行的，可確保高邊坡的長期穩定與安全。

5 結語

錨索格梁支護體系參數的正確設計是保證路塹高邊坡治理效果的關鍵。現有設計較多依靠前人的經驗與總結，缺乏理論性與系統性。因此，亟需引入新設計方法來確保邊坡的安全性及穩定性。以湖南省某高速公路路塹高邊坡工程為依托，基于FLAC3D軟件建立路塹高邊坡錨索格梁支護體系的有限元模型，研究不同設計參數下錨索格梁支護體系的受力特征及邊坡穩定性，據此提出最優設計方案并驗證了支護效果，具體研究結論如下。

1)錨索間距對邊坡穩定性影響較大，錨固角度、錨固長度對邊坡穩定性影響較小，且建議錨索間距設計應小于5m。

2)錨索間距、錨固角度的改變對混凝土格梁受力特征有顯著影響，在錨索格梁體系設計中起控制作用。

3)錨固長度改變對錨索的受力特征有顯著影響，隨著錨固長度的增加，頂層錨索的極限承載力得到顯著提高，但增加到10m后效果不再明顯。因此，建議錨固長度設計不超過10m。

4)通過數值模擬分析各參數的影響規律，確定支護設計方案，可充分發揮錨索格梁體系的優勢，有效克服傳統設計的弊端，提高邊坡穩定性與安全性。