基于復合筋錨桿支護邊坡工程的穩定性分析

鐘 皓， 梅志遠， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

1 復合筋錨桿

近年來，我國對西部加大開發力度，推進基礎設施建設。中西部地區的交通線路多數需要穿越山區，勢必會對沿線山體邊坡的巖土體進行開挖、改造，形成數量眾多的人工邊坡。邊坡的開挖，造成了邊坡巖土體的應力狀態發生改變，原有地質環境的平衡被破壞，可能會致使巖土體失穩，發生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害，不僅會延誤工期，甚至會造成人員的傷亡。邊坡穩定性問題為山區交通工程建設的重中之重。因此，如何改善及加固邊坡、降低邊坡失穩破壞風險，這顯得尤為重要。

Malvar[1]通過對多種不同類型的GFRP筋的粘結-滑移試驗結果的整理分析，得到Malvar模型，即纖維增強聚合筋與混凝土的粘結-滑移本構模型。Tighiouart等[2]發現在對試件施加相同的荷載下，混凝土與鋼筋的截面粘結強度要高于其與玻璃纖維增強聚合筋的界面粘結強度，然后結合GFRP筋與混凝土的粘結強度值對CMR模型參數進行了簡化。閏富友等[3]對GFRP錨桿作用機理進行了理論推導，得到了GFRP錨桿的軸力、GFRP錨桿與砂漿之間的粘結應力以及這二者之間的相對滑移變形關系。黃志懷等[4]研究了GFRP錨桿的應力分布和滑移情況。李麗華等[5]進行了GFRP錨桿拉伸和蠕變驗證試驗，得到結論：桿體在40%的荷載水平作用下，幾乎無蠕變現象，GFRP錨桿的性能是優越的。

本文采用FLAC3D軟件建立三維模型，研究邊坡在3種錨桿作用下的穩定性，為相關工程建設提供借鑒與參考。

2 數值模型的建立及條件設定

2.1 模型建立

首先需要選取坐標系：FLAC3D計算模型，X軸沿邊坡長邊方向水平向右，Y軸沿邊坡厚度方向水平向內，Z軸豎直向上。具體計算模型范圍：X軸方向為90 m，Y軸方向為24 m，Z軸方向為50 m，即模型長×寬×高：90 m×24 m×50 m(圖1)。

圖1 計算模型

本次計算采用平面應變條件計算模型進行數值模擬分析，建模分析時考慮了材料非線性一級幾何非線性模式。為此，采用FLAC3D計算程序，引入能合理描述物質實際力學行為的Mohr-Coulomb準則作為屈服準則，以期能獲得預期的理想效果。

由于Mohr-Coulomb準則是少參數的準則，選取Mohr-Coulomb準則作為屈服準則選，另一方面給予他是“所有可能的屈服面的內極限面”的理由，因此采用這種選擇對于工程分析而言，不僅使用方便而且是偏于安全的。

模型共分四級邊坡，各級邊坡高度均為8 m，各級坡腳長度均為2 m。一級、二級邊坡坡度為1∶1，其中一級邊坡采用漿砌片石進行表面加固，二級邊坡采用框架梁進行表面加固，且均采用錨桿支護。綜合各種因素考慮，一級邊坡錨桿長度5 m，二級邊坡錨桿長度9 m，橫向和縱向間距均為360 cm。三四級邊坡坡度為1∶0.75，均采用漿砌片石進行表面加固，無錨桿加固。

2.2 計算參數及邊界條件

根據工程現場勘察資料，大部分路段硬塑狀粉質黏土或稍—中密狀角礫碎石土不均，其下為全—強風化泥巖、泥質砂巖夾砂巖等。因此，結合現場資料和公路隧道設計規范，綜合工程巖體分級標準，確定物理力學參數如表1所示。

表1 計算中采用的物理力學參數

GFRP錨桿和鋼筋錨桿的物理力學參數根據廠家生產說明、室內拉拔試驗等數據，結合規范，確定所用GFRP筋、SFCB筋和鋼筋的物理力學參數如表2所示。錨桿布置情況如表3所示。

表2 錨桿所用GFRP筋、SFRP筋和鋼筋的物理力學參數

表3 錨桿計算參數

在四周施加約束，模型上邊坡臨空面為自由面。

3 自重條件下邊坡支護前變形規律

由水平方向位移云圖(圖2)可知，發生位移的區域主要分布在風化松散破碎層，基巖區域位移值很小，位移值在土層分界線上下形成了明顯的分界。而且在越靠近坡腳的位置，水平位移越大。從圖中可知，邊坡的位移最大值為5.02 mm，出現在一級邊坡的坡腳處。坡體最大位移(均小于1 cm)都在許可范圍內。

圖2 水平位移云圖

由邊坡位移矢量圖(圖3)也可證實，坡體的位移趨勢在松散層和基巖的分界面處上下有顯著的區別，上方風化松散層的位移較大，下方基巖區域的位移很小。

圖3 位移矢量圖

由剪應變增量云圖(圖4)可以大致確定滑坡面位置、大小，剪應變區域大致呈弧線形，起始于一級邊坡坡腳，但并未完全貫通。剪應變最大值為4.4872×10-3，發生在坡體內部，位于二級邊坡坡腳下方4 m左右深度。剪應變的弧線形所處位置基本與風化松散層和基巖之間的分界線(即潛在滑動面)大致重疊。

圖4 剪應變增量云圖

可見，在自重條件下邊坡能夠保持穩定，但仍需對降雨條件下的邊坡穩定性進行分析。

4 降雨條件下的邊坡加固穩定性分析

4.1 工況及參數的設定

在降雨模型建立過程中，由于項目路段旱、雨兩季降雨量差距十分懸殊，因此，應該充分考慮工程項目所在地的降雨特征，設定不同降雨工況進行分析。

本文設定3種降雨強度工況，即旱季降雨強度工況、雨季降雨強度工況和年平均降雨強度工況。根據3種降雨工況設定其對應的地下水位線位置，水位線上方土體采用自然重度，下方土體或巖體采用飽和重度，并對水位線下方的飽和巖土體及水位線附近的土體強度進行不同程度的抗剪強度折減，以此來模擬巖土體的遇水軟化效應(圖5～圖7)。具體降雨強度工況見表4。

圖5 一號水位線位置

圖6 二號水位線位置

圖7 三號水位線位置

表4 降雨強度工況 單位:m

綜合考慮邊坡設計規范，并查閱相關文獻。無準確試驗資料時，天然狀態或飽和狀態巖體內摩擦角標準值按照天然狀態或飽和狀態巖塊的內摩擦角標準值，和邊坡巖體完整程度，按照表5中的系數進行折減確定。

表5 邊坡巖體內摩擦角的折減系數

(1)飽和狀態下的粉黏土(風化破碎層)的內摩擦角參數的折減系數根據上表選定為15%，粘聚力c的折減系數根據經驗通常達到16%。

(2)飽和狀態下的砂頁巖(基巖)由于本身巖體完整，孔隙率低，軟化作用并不明顯(c、φ值約折減5%左右)，且抗剪強度參數較高，穩定性較好，因此對砂頁巖的強度折減對計算結果影響極小。最終計算參數如表6所示。

表6 降雨條件下邊坡巖土體力學參數

4.2 降雨條件下邊坡支護前的坡體變形規律

從圖8～圖10可以看出，邊坡未支護時在雨季、年平均、旱季3種降雨工況下，不平衡力時程曲線逐漸發散，這表明3種工況下模型計算均不收斂，無法達到平衡狀態。從3種工況下的位移云圖可以看出，模型在坡頂處的位移值較大，但計算尚未有收斂趨勢。此外，由剪應變增量云圖可知，3種工況下模型發生剪應變變形的區域已經全部貫通，滑動面上方已經形成明顯的滑體。由以上論述可知，3種降雨強度下，邊坡在未支護時均發生破壞。

圖8 雨季時邊坡支護前水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖9 年平均降雨工況時邊坡支護前水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖10 旱季時邊坡支護前水平位移云圖和剪應變增量云圖

4.3 降雨條件下錨桿邊坡支護效果

(1)雨季降雨工況邊坡變形規律見圖11～圖13。

圖11 GFRP筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖12 SFCB筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖13 鋼筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

由邊坡水平位移云圖可知，分別采用GFRP、SFCB和鋼筋錨桿對邊坡進行支護之后，均計算收斂，水平位移最大值分別為6.2 mm、5.6 mm、5.4 mm，坡頂位移值僅為1.5 mm，這表明水平位移大小較支護前已經得到了明顯控制。

由邊坡剪應變增量云圖可知，剪應變區域已經明顯減小并且沒有貫通，這表明坡體還未形成完整的滑動體。分別采用GFRP、SFCB和鋼筋對邊坡進行支護之后，剪應變最大值分別為4.8×10-3、4.4×10-3、4.3×10-3。剪應變最大值均出現在坡體內部，位于二級邊坡坡腳下方4 m左右深度處，而不是出現在坡腳，這使得土體的剪切現象被控制在了坡體內部，并沒有進一步發展至表面形成明顯的剪出口，表明使用錨桿支護后對于邊坡的變形有明顯的控制作用。

這表明降雨條件下使用SFCB筋錨桿與鋼筋錨桿對邊坡進行支護可以有效減小邊坡體的變形，達到提高邊坡穩定性的目的。

(2)年平均降雨工況邊坡變形規律見圖14～圖16。

圖14 GFRP筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖15 SFCB筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖16 鋼筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

由邊坡水平位移云圖可知，分別采用GFRP、SFCB和鋼筋錨桿對邊坡進行支護之后，坡體均計算收斂，得到水平位移最大值，5.3 mm、4.8 mm、4.6 mm，坡頂位移值僅為1.5 mm，這表明水平位移大小較支護前已經得到了明顯控制。

由邊坡剪應變增量云圖可知，剪應變區域已經明顯減小并且沒有貫通，這表明坡體沒有形成完整的滑動體。分別采用GFRP、SFCB和鋼筋對邊坡進行支護之后，剪應變最大值分別為4.0×10-3、3.7×10-3、3.6×10-3。剪應變最大值均出現在坡體內部，位于二級邊坡坡腳下方4 m左右深度處，而不是出現在坡腳，這使得土體的剪切現象被控制在了坡體內部，并沒有發展至坡體表面形成明顯的剪出口，表明使用錨桿支護后對于邊坡的變形有明顯的控制作用。

這表明降雨條件下使用SFCB錨桿與鋼筋錨桿對邊坡進行支護可以有效減小邊坡體的變形，達到提高邊坡穩定性的目的。

(3)旱季降雨工況邊坡變形規律見圖17～圖19。

圖17 GFRP筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖18 SFCB筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

圖19 鋼筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應變增量云圖

由邊坡水平位移云圖可知，分別采用GFRP、SFCB和鋼筋錨桿對邊坡進行支護之后，坡體均計算收斂，水平位移最大值分別為3.5 mm、3.3 mm、3.2 mm，坡頂位移值僅為1.5 mm，這表明水平位移大小較支護前已經得到了明顯控制。

邊坡剪應變增量云圖可知，剪應變區域已經明顯減小并且沒有貫通，這表明坡體沒有形成完整的滑動體。分別采用GFRP、SFCB和鋼筋對邊坡進行支護之后，剪應變最大值分別為3×10-3、2.8×10-3、2.8×10-3。剪應變最大值均出現在坡體內部，位于二級邊坡坡腳下方4 m左右深度處，而不是出現在坡腳，這使得土體的剪切現象被控制在了坡體內部，并沒有發展至坡體表面形成明顯的剪出口，表明使用錨桿支護后對于邊坡的變形有明顯的控制作用。

這表明降雨條件下使用SFCB筋錨桿與鋼筋錨桿對邊坡進行支護可以有效減小邊坡體的變形，達到提高邊坡穩定性的目的。

(4)不同降雨工況下錨桿邊坡支護變形規律對比(表7、圖20)。

表7 不同降雨強度下3種錨桿邊坡支護位移情況 單位:mm

圖20 不同降雨強度下分別采用3種錨桿支護后坡體位移情況

由圖19表7和圖20可知：

(1)同種錨桿加固時，降雨強度越小，坡體位移越小。

(2)相同降雨條件下，采用不同錨桿進行加固時，鋼筋錨桿加固時坡體位移最小，效果最優，SFCB錨桿加固效果次之，GFRP錨桿效果最差。

(3)在降雨強度不大時，采用3種錨桿對邊坡進行加固，坡體位移差別不大。

(4)3種錨桿對坡體位移的限制作用都很明顯，雖然有優劣之分，但是差別不大，坡體最大位移(均小于1cm)都在許可范圍內。

5 結論

本文利用數值分析中較為常用快捷的快速格朗日分析法對依托工程的邊坡穩定性進行分析，利用FLAC3D數值模擬，得到結論：

(1)邊坡在3種錨桿的錨固作用下，表層土體得到加固，且主要滑動面消失，坡體在二級邊坡坡腳處衍生出次生滑動面。

(2)3種錨桿作用下，次生滑動面處的剪應變值都很小，土體沒有出現塑性區，在次生滑動面部位沒有較大的位移出現。

(3)3種錨桿對坡體位移的限制作用都很明顯，雖然有優劣之分，但是差別不大，坡體最大位移(均小于1cm)都在許可范圍內。