錨索加固方式的邊坡受力及變形特點(diǎn)研究

康文軒

(新疆昌吉州水利管理總站，新疆 昌吉 831100)

1 概 述

土體力學(xué)強(qiáng)度較弱，自穩(wěn)性較差，因此土質(zhì)邊坡開挖施工常常采用輔助加固方式，以確保邊坡的穩(wěn)定。其中，錨索是邊坡工程加固中常采用的支護(hù)方式。

為此，許多學(xué)者對邊坡加固方式及效果開展了研究。李煒等[1]采用實驗方法，對高速公路邊坡采用的預(yù)應(yīng)力錨索加固形式效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明錨索具有彈性變形和塑性變形的雙階段變形特點(diǎn)，為類似工程施工提供了參考。寧文國等[2-3]對某結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索的新型支護(hù)加固方式對高路塹邊坡的加固性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合十字面板的施工方法在合理控制和保證相關(guān)施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，加固效果明顯優(yōu)于單獨(dú)采用預(yù)應(yīng)力錨索的加固方式。楊杰等[4]對預(yù)應(yīng)力錨索的施工工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明基于工程實踐總結(jié)的預(yù)應(yīng)力錨索施工方法和工藝要求，可以作為相關(guān)邊坡工程施工和設(shè)計規(guī)范的參照。陳國軍等[5]研究了預(yù)應(yīng)力錨索加固的邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計深度和橫截面積應(yīng)充分考慮相應(yīng)的彎矩變化點(diǎn)。上述文獻(xiàn)對錨索加固方式所產(chǎn)生的應(yīng)力及變形效應(yīng)進(jìn)行了研究，主要涉及各類邊坡工程和不同的錨索加固方式，包含不同的邊坡形式和最終的安全性評價。

本文以新疆某水利工程邊坡為研究對象，對錨索加固條件下的邊坡穩(wěn)定相關(guān)變形及受力特點(diǎn)進(jìn)行研究。采用Flac3D軟件進(jìn)行模擬，經(jīng)過數(shù)值計算，分析錨索加固條件下邊坡的最大有效應(yīng)力和最大位移。

2 工程概況

某水利工程邊坡位于我國西部地區(qū)，從上至下的地質(zhì)條件主要由3層土質(zhì)不同的邊坡土層組成，工程處于318國道旁，地理位置極為特殊，邊坡的穩(wěn)定對于318國道的正常運(yùn)營有重要影響。邊坡三維示意圖見圖1，邊坡垂直一側(cè)高35m，底寬130.1m，從上至下分別為沉積土層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層，各土層的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 開挖邊坡三維示意圖

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

由于Flac3D軟件在構(gòu)建復(fù)雜邊坡模型時存在一定的不足，為此本文的邊坡構(gòu)建方式采用CAD，先將模型剖面畫出，而后進(jìn)行EXTRUDE命令操作，將模型在橫向方向上延伸至10m長，隨后導(dǎo)出到FLAC3D中。由于所研究問題為平面應(yīng)變類型問題，因此邊坡的左右兩側(cè)采用固定法向約束的邊界條件，模型底部為全約束，即將X、Y、Z方向的約束全部固定，最后進(jìn)行求解計算。構(gòu)建的模型圖見圖2。

3.2 邊坡內(nèi)的位移及受力特征

求解計算完成后，獲得最后錨索加固條件下的邊坡位移云圖，見圖3。同時，為了研究錨索加固條件下邊坡體內(nèi)的受力變化特點(diǎn)，與計算完成后繪制的邊坡位移云圖一起繪制相應(yīng)的邊坡受力圖，見圖4。

圖3 錨索加固邊坡位移云圖(單位：m)

圖4 錨索加固邊坡最大有效應(yīng)力云圖(單位：Pa)

根據(jù)圖3可知，當(dāng)采用錨索加固方式對邊坡進(jìn)行加固后，邊坡內(nèi)的最大位移為5.04e-2m，最大位移主要集中于上部臺階位置以上部位，表明布置于邊坡下部的錨索起到了有效的加固邊坡下部土體的作用；而在下部臺階以上的邊坡位移最大為4e-2m，說明布置于邊坡下部的錨索有效減少了邊坡下部土體的位移；隨著逐漸向邊坡下部，尤其是最底部位置處，邊坡的位移越小，邊坡位移的最大值僅為1.5e-2m，表明上部的錨索加固發(fā)揮了作用，說明該類地質(zhì)條件和該型邊坡坡率條件下，采用錨索加固的邊坡失穩(wěn)治理方式是合理的。

根據(jù)圖4可知，當(dāng)采用錨索加固方式對邊坡進(jìn)行加固后，邊坡內(nèi)的最大有效應(yīng)力為2.81e5Pa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大有效應(yīng)力主要集中于邊坡最底部位置；邊坡內(nèi)的最小有效應(yīng)力為2.35e3Pa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，主要位于邊坡表層，隨著不斷向上接近地表，而最大有效應(yīng)力顯著降低，表明布置于邊坡內(nèi)的錨索起到了有效減低邊坡表層土體所受的應(yīng)力作用。同時可以看出，在下部臺階以上的邊坡最小有效應(yīng)力向邊坡內(nèi)延伸的距離較大，約為2m；而在有錨索加固部位的下部邊坡最小有效應(yīng)力，向邊坡內(nèi)延伸的距離極小，僅為0.3m，說明布置于邊坡下部的錨索有效減少了邊坡下部土體的有效應(yīng)力。因此，該類地質(zhì)條件和該型邊坡坡率條件下，采用錨索加固的邊坡失穩(wěn)治理方式是合理的。

3.3 邊坡內(nèi)錨索的位移特征

為了研究錨索的變形特征，通過Flac3D，采用繪制相應(yīng)結(jié)構(gòu)部件圖的方式，繪制錨索的速度變化趨勢圖，見圖5。同時，采用同樣方法繪制錨索相應(yīng)的位移變化趨勢圖，見圖6。

由圖5可知，當(dāng)采用錨索加固方式對邊坡加固后，邊坡內(nèi)錨索的最大速度為4.02e-16m/s，最大速度主要集中于上部錨索，表明布置于邊坡上部的錨索發(fā)揮了有效的加固邊坡下部土體的作用；而在下部變臺階位置的邊坡內(nèi)錨索的最大速度為2.25e-16m/s，邊坡內(nèi)錨索的最大速度接近于零，說明布置于邊坡下部的錨索在加固土體的同時，其自身幾乎不發(fā)生運(yùn)動，錨索自身是穩(wěn)定的，該錨索的應(yīng)力選擇和力學(xué)特征用來加固該邊坡是合理的。

由圖6可知，當(dāng)采用錨索加固方式對邊坡進(jìn)行加固后，邊坡內(nèi)錨索的最大位移為2.13e-2m，最大位移主要集中于上部錨索中間位置，表明布置于邊坡上部的錨索發(fā)揮了有效的加固邊坡下部土體的作用，起到了抗邊坡滑移運(yùn)動的作用；

圖5 邊坡內(nèi)的錨索速度云圖(單位：m)

圖6 邊坡內(nèi)的錨索位移云圖(單位：Pa)

而在下部變臺階位置的邊坡內(nèi)錨索的最大位移為1.2e-2m，說明布置于邊坡下部的錨索在加固土體的同時，其自身隨邊坡的運(yùn)動較小，且表現(xiàn)出與邊坡內(nèi)的土體整體協(xié)調(diào)的運(yùn)動特征，說明采用該材料屬性的錨索來加固該邊坡是合理的。

4 結(jié) 論

1)邊坡內(nèi)土體的最大位移為5.04e-2m，土體最大位移主要集中于上部臺階位置以上的土體；邊坡內(nèi)的最大有效應(yīng)力為2.81e5Pa，最大有效應(yīng)力主要集中于邊坡最底部位置。

2)邊坡內(nèi)錨索的最大速度為4.02e-16m/s，最大速度主要集中于上部錨索；邊坡內(nèi)錨索的最大位移為2.13e-2m，最大位移主要集中于上部錨索的中間位置。

3)土體的最大位移和最大有效應(yīng)力、錨索的最大速度和最大位移均表明，采用錨索加固方式對邊坡進(jìn)行加固是合理的，邊坡上部土體可參考下部的錨索布置形式進(jìn)行加固。