水庫邊坡錨桿加固治理的傾角選擇研究

馮 斌

(江西省宜春市袁州區農業農村局，江西 宜春 336000)

近年來，隨著我國經濟實力飛速提升，基礎建設的規模也越來越大。在公路、鐵路等基礎設施建設中，必然出現了大批邊坡治理工程。錨桿因具有施工簡單、支護效果好、工程造價低等優點，在邊坡治理工程中得到極為廣泛的應用。因此，諸多學者對錨桿在邊坡治理中的研究十分關注，且當前已經取得一定的研究成果。張愛社等根據力學分析理論與變形協調的關系，對順層巖質邊坡錨桿拉剪作用的力學性能進行了研究，研究結果表明：提出的理論分析方法的計算結果與實驗數據結果基本一致，說明建立的加固順層邊坡的錨桿抗剪計算的理論方法十分合理。李帥等[1]基于瑞典條分法基本原理，對降雨對系統錨桿加固邊坡穩定性的影響進行了研究，研究結果表明：錨桿提升降雨工況下邊坡穩定性的能力與降雨強度有關，降雨強度越大，錨桿提升邊坡穩定性的能力越差。錢海洋[2]結合實際工程案例，利用FLAC-3D分析軟件，對錨桿(索)框架梁加固順層邊坡進行了數值分析研究，研究結果表明：錨桿(索)框架梁方案對坡體內部的應力與位移影響較大，限制順層邊坡開挖過程中的坡體變形效果顯著。萬海龍等[3]基于強度折減法和滲流理論，利用ABAQUS分析軟件，對降雨條件下邊坡穩定性與錨桿加固措施進行了研究，研究結果表明：降雨工況下，邊坡穩定性急劇下降，錨桿的長度越長、數量越多，邊坡穩定性越優。朱彥鵬等[4]利用數值模擬的方法，對框架預應力錨桿支護邊坡的穩定性進行研究，研究結果表明：影響框架預應力錨桿支護后邊坡穩定性的主要因素有內摩擦角、坡角、重度以及黏聚力等。

以上研究針對錨桿的力學性能、降雨條件下錨桿的支護能力以及錨桿支護對邊坡穩定性的影響等分別進行了研究。基于以上論述，本文利用有限元軟件，結合邊坡治理工程，建立不同傾角錨桿支護邊坡的模型，對其內力、位移以及支護后的邊坡穩定性進行分析研究。研究成果可為類似邊坡治理工程中錨桿選擇提供參考。

1 工程概況

某水庫位于山谷內，兩側山地地形呈扇形分布。為避免庫岸坍塌，對邊坡進行削坡加固處理。經過處理后的庫岸邊坡共分為4級，自下而上第一級坡高9m，坡率1∶0.48，平臺寬2m；第二級坡高11m，坡率1∶0.62，平臺寬2m；第三級坡高10m，坡率1∶0.57，平臺寬2m；第四級坡高10m，坡率1∶0.62，平臺寬2m。風化土、風化巖和軟巖是該邊坡的主要巖土體組成成分，各類型巖土體均為全場地分布。其中，風化土層厚為2.6～17.6m、風化巖層厚為19.9～36.7m、軟巖層厚為10.1～38.9m，邊坡最危險截面如圖1所示。

圖1 邊坡最危險截面圖

經現場勘測分析與計算分析得出，該邊坡潛在滑動面位于風化土與風化巖的交界面處，擬采用錨桿+抗滑樁對該邊坡進行支護。設置4組傾角分別為10°、20°、30°、40°的錨桿進行比選。

2 模型建立與網格劃分

2.1 有限元模型建立

采用巖土領域的MIDAS GTS軟件建立模型，模型右高38m、左高92m、長165m，邊坡有限元模型如圖2所示。邊坡巖土體與支護結構分別采用摩爾庫倫與彈性本構模型。為保證計算的合理性與有效性，風化土區域網格以1m為基本尺寸劃分，風化巖與軟巖區域網格以2m為基本尺寸劃分。先后為模型添加邊界約束與重力荷載，并依次設置5種分析工況，分別為天然工況、錨桿傾角依次為10°、20°、30°、40°的支護邊坡工況。

2.2 計算參數選取

錨桿的長度均為13m，錨筋強度等級為HRB335，直徑為25mm，錨桿的縱向間距與豎向間距為5m。采用帶螺旋鉆桿的回轉鉆機進行鉆孔，并進行全粘結式灌漿，水泥漿摩擦角為35°，剛度為2.0MPa，粘結力為1×103kN。抗滑樁的截面尺寸為1.5m×2m，樁長為12m，采用機械挖孔，C30混凝土澆筑，邊坡巖土體與支護結構物理力學參數見表1。

表1 邊坡巖土體與支護結構物理力學參數

邊坡巖土體與錨桿的有限元材料參數見表2

表2 邊坡巖土體與支護結構有限元材料參數

3 數值模擬結果分析

在保證其他因素相同的情況下，分別對各分析工況進行求解，得出不同傾角錨桿的內力、位移以及支護后的邊坡穩定性。

3.1 錨桿內力分析

不同傾角錨桿的內力如圖3所示。由圖3(a)可知，當錨桿傾角為10°時，錨桿的最大軸力出現在坡頂錨桿錨固段，錨桿最大軸力數值為123.5kN；從自由段到錨固段，各位置錨桿的軸力均呈現逐漸增加趨勢；自坡頂至坡腳，錨桿的軸力基本呈現整體遞減的趨勢。由圖3(b)可知，當錨桿傾角為20°時，錨桿的最大軸力出現在自下而上的第三處錨桿的錨固段，最大軸力數值大小為101.4kN；自坡頂至坡腳，錨桿的軸力基本呈現先減小后增大的趨勢。由圖3(c)可知，當錨桿傾角為30°時，錨桿的軸力分布基本與傾角為20°時相同，但錨桿的錨桿最大軸力大小僅為71.4kN。由圖3(d)可知，當錨桿傾角為40°時，錨桿的最大軸力更小，最大軸力出現在坡腳錨桿錨固段，最大軸力大小僅為32.3kN；自坡頂至坡腳，錨桿的軸力基本呈現一直增大的趨勢。綜合圖3(a)—(d)可得，隨錨桿傾角的增大，錨桿的軸力最大值逐漸減小，各位置錨桿軸力分布呈現靠近坡頂的錨桿軸力相對減小，靠近坡腳的錨桿軸力相對增大。

圖3 不同傾角錨桿的內力圖

3.2 錨桿位移分析

不同傾角錨桿的位移如圖4所示。由圖3(a)可知，當錨桿傾角為10°時，錨桿最大位移出現在邊坡中部錨桿的端部，最大錨桿位移為3.54mm；錨桿位移主要集中于邊坡中部，坡腳處錨桿位移較?。粡淖杂啥蔚藉^固段，各位置錨桿的位移均呈現逐漸遞減的趨勢。由圖3(b)可知，當錨桿傾角為20°時，錨桿最大位移為3.50mm，錨桿位移分布形式與傾角為10°基本一致。由圖3(c)可知，當錨桿傾角為30°時，坡頂錨桿的位移明顯增大，錨桿最大位移為3.71mm。由圖3(d)可知，當錨桿傾角為40°時，坡腳附件的錨桿位移明顯減小，錨桿的最大位移也隨之增大，錨桿的最大位移為3.96mm。綜合圖4(a)—(d)可得，隨錨桿傾角的增大，錨桿的最大位移先減小后增大，但增幅并不明顯，坡頂錨桿的位移相對增大，坡腳錨桿的位移相對減小[5-7]。

圖4 不同傾角錨桿的位移圖

3.3 邊坡穩定性分析

3.3.1天然狀態下邊坡穩定性分析

天然狀態下邊坡塑性應變云圖如圖5所示，天然狀態下邊坡位移云圖如圖6所示。由圖5可知，天然狀態下邊坡塑性應變較大；邊坡潛在滑動面位于風化土與風化巖的交界面處，更加證實了勘測分析與計算分析的準確性；同時，天然狀態下邊坡穩定安全系數僅為1.06，明顯不滿足安全要求，需要采用支護措施治理。由圖6可知，天然狀態下邊坡位移較大，邊坡最大位移達39mm，遠超過工程要求的20mm，邊坡位移主要集中于風化土中部區域。

圖5 天然狀態下邊坡塑性應變云圖

圖6 天然狀態下邊坡位移云圖

3.3.2錨桿支護后邊坡穩定性分析

不同傾角錨桿支護下邊坡穩定安全系數與最大總位移見表3。由表3可知，不同傾角錨桿支護后，邊坡穩定安全系數與最大總位移均有明顯改善，邊坡穩定性均有顯著提升；當錨桿傾角為20°時，邊坡穩定安全系數最大，最大總位移最小，穩定安全系數為1.41，較天然狀態下提升33%，最大總位移為8mm，較天然狀態降低了79%；隨錨桿傾角的增大，邊坡穩定安全系數呈現先增大后減小的趨勢，最大總位移呈現先減小后增大的趨勢；錨桿傾角過大或過小，邊坡支護效果均會變差，原因可能是錨桿傾角過大或過小時，錨桿對巖土體的約束因傾角原因而變小，使得支護效果變差；綜上所述，錨桿傾角對支護效果影響顯著，通過邊坡穩定性分析可以得出：采用傾角為20°錨桿支護時，邊坡穩定性提升最顯著，邊坡支護效果最優。

表3 不同傾角錨桿支護下邊坡穩定安全系數與最大總位移

4 結語

本文利用有限元軟件，建立不同傾角錨桿支護邊坡的模型，分析邊坡加固效果。結果表明：錨桿傾角對錨桿內力影響顯著。隨錨桿傾角的增大，錨桿的最大位移先減小后增大。當錨桿傾角為20°時，錨桿的最大位移值相對其他組最小，邊坡穩定安全系數提升33%，最大位移降低了79%，邊坡穩定性顯著提升。綜合考慮錨桿的內力、位移以及邊坡穩定性，在錨桿傾角為10°、20°、30°、40°中，該邊坡治理推薦使用傾角為20°的錨桿。本文在方案選擇中未考慮實際施工的便捷性，僅設置4組錨桿傾角進行對比，其他更為精確的最優錨桿傾角有待進一步探究。