浙南地區(qū)巖質(zhì)邊坡錨桿格構(gòu)防護參數(shù)優(yōu)化研究

王航宇

（溫州市公路與運輸管理中心，浙江 溫州 325000）

0 引言

浙南地區(qū)山區(qū)地貌廣泛分布，邊坡成為工程建設(shè)中的常見分部，主要表現(xiàn)為原始邊坡及工程建設(shè)所形成的人工邊坡兩種形式，其中巖質(zhì)邊坡分布較為常見。巖質(zhì)邊坡形成后，受到風(fēng)、雨、溫度及地表徑流等自然因素侵蝕，表巖體會因風(fēng)化作用而破碎，從而產(chǎn)生邊坡災(zāi)害情況。對于有失穩(wěn)風(fēng)險的邊坡，工程人員常根據(jù)邊坡的特點，采用不同防護形式進行加固治理，以提高其穩(wěn)定性。研究者也針對邊坡防護開展了不同側(cè)面的研究。

拓偉民[1]結(jié)合蘭州市南山路工程九標段高邊坡防護工程的施工，采用錨桿格構(gòu)梁進行邊坡加固的工程實例，就錨桿格構(gòu)梁在邊坡防護中的施工工藝、施工設(shè)計原理進行分析和探討。

郝建斌[2]通過對錨桿格構(gòu)支護邊坡振動臺模型試驗，得到結(jié)論：

第一，在同一正弦波激勵下，格構(gòu)同一測點的動應(yīng)變值的變化范圍是基本保持不變的，與正弦波激勵的變化規(guī)律一致。但在破壞階段，測點的動應(yīng)變值表現(xiàn)為無規(guī)律的變化且應(yīng)變值均較大。

第二，同一激勵下，橫、縱格構(gòu)梁的受力水平是基本相平的；對于同一行格構(gòu)，中間應(yīng)變值較大；同一列格構(gòu)，由上到下呈“大—小—大—小”的變化特征，說明邊坡豎向變形變化很大且受錨桿約束的影響；格構(gòu)梁的不同部位受力不同，需要對薄弱部位進行補強。

第三，相同頻率下，格構(gòu)測點的動應(yīng)變值隨著加速度的增大，整體上表現(xiàn)為遞增趨勢。

第四，低頻正弦波的頻率較接近邊坡的自振頻率，坡體加速的動力響應(yīng)就明顯，邊坡的相對位移則越大，因此格構(gòu)的動應(yīng)變相應(yīng)增大。

陳興平[3]基于環(huán)保理念，對公路路基邊坡防護方法進行了研究總結(jié)。

王娟[4]總結(jié)了不同地質(zhì)條件下(土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡和巖土混合邊坡)風(fēng)電場建設(shè)常見的邊坡防護形式及其施工要點，并從安全性、經(jīng)濟性和美觀性的角度評判了常見邊坡防護形式的優(yōu)缺點，研究結(jié)論能為風(fēng)電場建設(shè)過程中選擇合理的邊坡防護形式提供參考。

吳明友[5]對國省道路基邊坡常用防護工程施工要點、難點進行了研究和分析，為工程設(shè)計與施工人員提供借鑒。

唐秋元[6]結(jié)合巖質(zhì)邊坡工程實例，對巖質(zhì)邊坡支護設(shè)計中的錨桿軸向拉力設(shè)計方法進行了分析與評價。

劉佳龍[7]結(jié)合某220kV 變電站巖質(zhì)高挖方邊坡，采用極限平衡法和數(shù)值分析法，設(shè)置不同錨桿打入角度和長度方案對邊坡的穩(wěn)定性進行了計算對比分析，優(yōu)化了錨桿設(shè)計參數(shù)，評價了坡頂位移監(jiān)測、深層水平位移監(jiān)測和錨桿應(yīng)力監(jiān)測對錨桿加固效果。

晏鄂川[8]以云沱段獅子包邊坡2-2′剖面（K0+85.7m）為例，應(yīng)用正交試驗設(shè)計法分析錨固參數(shù)的組合方案，以邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為評價指標，分別改變錨固參數(shù)，以此分析對邊坡穩(wěn)定性的影響。

對于巖質(zhì)邊坡而言，因其整體失穩(wěn)的概率較小，常見失穩(wěn)形式為表層全風(fēng)化巖層滑坡、風(fēng)化塊石滑落及坡面碎石失穩(wěn)等，常采用的防護措施主要為錨噴加固及格構(gòu)防護兩種。格構(gòu)防護作為常見的防護形式，通過錨桿在巖石中的錨拉作用和表面格構(gòu)的約束作用，形成整體防護體系，其防護參數(shù)的選取對防護工程的經(jīng)濟性及邊坡穩(wěn)定性防護效果具有較大影響。在工程實踐中，設(shè)計人員常采用規(guī)范取值或者經(jīng)驗取值進行設(shè)計，但對其參數(shù)變異對于設(shè)計結(jié)果的影響論證較少。

本文基于浙南地區(qū)巖質(zhì)邊坡的具體情況及巖性特點，通過數(shù)值模擬的方法，對巖質(zhì)邊坡錨桿格構(gòu)進行模擬并進行結(jié)果對比，獲得相對優(yōu)化的參數(shù)取值，研究結(jié)果可為該地區(qū)同類工程設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬采用MIDAS/GTS NX 軟件進行。模型建立首先采用AUTOCAD 建立簡化模型，然后導(dǎo)入計算軟件形成三維地質(zhì)模型。本文模擬的對象是交通道路巖質(zhì)邊坡的防護穩(wěn)定性問題。根據(jù)浙南地區(qū)道路邊坡的形狀，并考慮道路路基對坡腳的壓載作用，建立邊坡模擬模型見圖1。其中，邊坡坡度取65o，坡高30m。道路路基寬度取45m，道路路基高度15m，上部全風(fēng)化層厚取2m，下部為強風(fēng)化巖層。

錨桿格構(gòu)方案結(jié)構(gòu)參數(shù)工況如下：

矩形框格梁尺寸：高40cm，寬30cm，采用C30 鋼筋混凝土。

錨桿：總長7.5m，伸入完整巖石7m，外露0.5m，鋼筋直徑32mm，布置在框格梁縱橫交叉處，共布置5行5 列進行模擬。

錨桿間距：按照2.5、3.0、3.5、4.0、4.5，共考慮5種工況。

在軟件自動網(wǎng)格劃分功能基礎(chǔ)上，對邊坡模型網(wǎng)格尺寸進行調(diào)整控制。坡體表面采用0.5 單位寬度網(wǎng)格，坡體外側(cè)道路部分采用1.5 單位的網(wǎng)格寬度，格構(gòu)網(wǎng)格采用與邊坡相同大小的網(wǎng)格，既保證了精度，又充分消除了邊界效應(yīng)的影響，從而達到一個較好的模擬。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性質(zhì)，邊坡荷載主要考慮坡體及防護材料自重荷載。材料自重根據(jù)不同材料類型確定。在軟件中選擇“自重”，自重系數(shù)z 處輸入“-1”，對整體模型施加自重荷載。根據(jù)模型尺寸，模型邊界考慮為固端邊界，即在模型的左右邊界施加水平約束，使模型豎直邊界水平的位移為零，模型的底部設(shè)定為固定約束，即底部邊界水平、垂直位移均為零，模型的頂部及邊坡部位為自由邊界。

模型材料參數(shù)根據(jù)溫州地區(qū)的土體參數(shù)資料及規(guī)范確定見表1。材料本構(gòu)關(guān)系均采用摩爾-庫倫強度準則，錨桿材料設(shè)置為彈塑性材料（見表2）。

表1 坡體材料參數(shù)取值

表2 防護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值

2 模擬計算

模型建立完成后，在MIDAS/GTS NX 軟件的分析選項欄里點擊新建工況分析，將計算求解類型為邊坡穩(wěn)定（SRM），激活邊界條件和靜力荷載選項。在分析控制選項里面，把剛度更新方法改為“初始剛度法”，內(nèi)力改為0.001kN，然后運行分析計算。

模型分析完成后，通過軟件處理后系統(tǒng)進行結(jié)果分析。主要通過以下結(jié)果參數(shù)，對比分析防護方案的優(yōu)化結(jié)果。

其一，安全系數(shù)：反映邊坡的整體穩(wěn)定狀況。

其二，總位移云圖：反映坡體的整體位移狀態(tài)，同時判斷邊坡的滑移狀態(tài)。

其三，最大剪應(yīng)變圖：反映邊坡剪應(yīng)變的分布狀態(tài)，同時判斷邊坡的剪切破壞模式。

其四，錨桿支護軸力圖：反映錨桿支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 坡體總體位移變化規(guī)律研究

圖3為不同錨桿間距情況下邊坡總位移變化曲線圖。從圖3中可以看出：隨著錨桿間距的增大，邊坡的最大位移呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢。坡體發(fā)生位移的深度增加。當(dāng)錨桿間距為3.5m 時，邊坡最大總位移為最小值0.9mm。當(dāng)錨桿間距繼續(xù)增大為4m時，邊坡最大總位移又增加為4.1mm。可以表明，對巖質(zhì)邊坡而言，坡體位最小的邊坡錨桿間距為3.5m。

3.2 坡體的最大剪應(yīng)變規(guī)律

圖4為不同錨桿間距條件下巖質(zhì)邊坡錨桿格構(gòu)梁防護最大剪應(yīng)變云圖及剪應(yīng)變變化曲線圖。從圖4中可以看出：邊坡的最大剪應(yīng)變均出現(xiàn)在坡腳區(qū)域，并沿著強風(fēng)化巖層底在坡體內(nèi)貫穿形成剪切帶，受到錨桿格構(gòu)防護的約束作用，剪切帶的應(yīng)力及厚度呈現(xiàn)不同的特性，總體表現(xiàn)為隨著間距增加，剪切帶厚度有增加趨勢。

從剪應(yīng)變數(shù)值變化曲線看，隨著錨桿間距增大，坡體最大剪應(yīng)變呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)錨桿間距為3.5m 時，邊坡的最大剪應(yīng)變值最小，為0.0004。當(dāng)錨桿間距為4m 時，邊坡的最大剪應(yīng)變值最大，為0.0047。結(jié)果表明，3.5m 間距為剪應(yīng)變最優(yōu)間距。

3.3 錨桿軸力變化規(guī)律

圖5為不同錨桿間距條件下巖質(zhì)邊坡錨桿格構(gòu)梁防護軸力云圖及曲線。從圖5中可以看出：隨著錨桿間距的增大，錨桿受到的最大軸力表現(xiàn)為先減小后增大趨勢。當(dāng)錨桿間距為3.5m 時，最大軸力值最小為200.4kN。當(dāng)錨桿間距為4.0m 時，最大軸力值相對最大，為221kN。從結(jié)果可以看出，錨桿軸力最優(yōu)的錨桿間距為3.5m。

3.4 安全系數(shù)變化規(guī)律研究

圖6為不同錨桿間距條件下巖質(zhì)邊坡錨桿格構(gòu)梁防護安全系數(shù)變化圖。由圖6可以看出：在模擬選定錨桿間距工況條件下，安全系數(shù)為1.77，遠大于規(guī)范規(guī)定的邊坡安全系數(shù)值。隨著錨桿格構(gòu)梁間距的增大，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。錨桿格構(gòu)梁間距為2.5m 時，邊坡的安全系數(shù)最大，為1.8094；錨桿格構(gòu)梁間距為3.5m 時，邊坡的安全系數(shù)最小，為1.7531。當(dāng)錨桿間距3.5m 繼續(xù)增大時，從在錨桿間距增加到4m 時，安全系數(shù)有所回升，變?yōu)?.77。從結(jié)果可以看出，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)最優(yōu)的錨桿間距為3.5m。

4 結(jié)語

本文通過建立三維有限元模型，對巖質(zhì)邊坡錨桿格構(gòu)防護形式的錨桿間距進行了模擬研究。從模擬研究結(jié)果來看，在坡體形態(tài)及其他防護參數(shù)不變的情況下，隨著錨桿間距增大，坡面位移、剪應(yīng)變、錨桿軸力及安全系數(shù)都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，綜合最優(yōu)錨桿間距為3.5m。研究結(jié)果可以作為該地區(qū)邊坡工程設(shè)計與施工的參考。