順層巖質邊坡穩定性研究及支護結構優化設計

邱慧 呂振雷

收稿日期：2024-01-17

作者簡介：邱慧（1992—），女，碩士研究生，工程師，研究方向：交通工程。

摘要 為研究順層巖質邊坡穩定性及支護結構優化，文章以某順層巖質邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析了開挖過程中坡腳水平位移、豎向位移及邊坡安全系數的變化規律，比較邊坡錨桿支護時機對安全系數的影響，最后分析不同錨桿長度、錨桿傾角條件下，邊坡安全系數的變化規律。研究結果表明：（1）隨著邊坡的開挖，坡腳處水平位移、豎向位移均在不斷增大；坡腳水平位移曲線斜率在逐漸增大，坡腳豎向位移曲線斜率在逐漸減小；（2）錨桿長度對邊坡安全系數的增大效果為先增大后減小；（3）錨桿傾角對邊坡安全系數的減小效果呈“M”形。

關鍵詞 順層巖質邊坡；穩定性；支護結構優化；數值模擬

中圖分類號 TU472文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0098-03

0 引言

已有研究表明順層滑坡作為最為常見的滑坡類型，對附近基礎交通設施、結構、人民群眾等存在極大的安全隱患[1]。實際工程中常使用經濟、有效的錨桿加固方案，但錨固順序、錨桿參數等均對錨固效果存在較大影響[2]。因此，亟須開展順層巖質邊坡穩定性及錨桿支護效果的研究。

目前，國內外學者分別從不同角度對順層巖質邊坡穩定性及錨桿支護效果進行了一系列研究，王發玲等[3]基于彈性力學及結構力學，研究了邊坡巖體及錨桿的相互作用及加固機制，并提出了新的錨桿加固順層邊坡的力學模型；王偉等[4]基于FLAC3D有限元軟件，研究了錨桿長度、錨固傾角和注漿體黏結強度對順層巖質高邊坡穩定性的影響；龔文惠等[5]基于ANSYS軟件，分析了錨桿支護前后順層巖體邊坡內部應力、變形、穩定性等的變化規律。綜上所述，順層巖質邊坡穩定性較差，需對其進行加固治理；錨桿作為常見的邊坡支護措施，具有經濟、簡便等優點，但錨桿長度、傾角等會影響支護效果。

鑒于此，該文以某順層巖質邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析開挖過程中坡腳水平位移、豎向位移及邊坡安全系數的變化規律，比較邊坡錨桿支護時機對安全系數的影響，最后分析不同錨桿長度、錨桿傾角條件下，邊坡安全系數的變化規律。

1 工程概況

某順層巖質邊坡巖石主要為第四系和前寒武系地層，7—9月份降雨較多。該邊坡為順層邊坡，中間存在一條軟弱夾層，易發生滑坡。項目擬設置6級邊坡，并用錨桿進行加固。

2 數值模型的建立

該文以某順層巖質邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，建立數值模型，如圖1所示：

圖1 ABAQUS邊坡數值模型

由圖1可知，模型高為120 m，下底面寬為350 m，上頂面寬為150 m，距坡腳100 m。邊坡分六級開挖，開挖順序、坡率、坡高分別為：開挖6級邊坡，坡率為1∶1.5，坡高為10 m；開挖5級邊坡，坡率為1∶1.5，坡高為10 m；開挖4級邊坡，坡率為1∶1，坡高為10 m；開挖3級邊坡，坡率為1∶1，坡高為10 m；開挖2級邊坡，坡率為1∶0.75，坡高為10 m；開挖1級邊坡，坡率為1∶0.75，坡高為10 m。錨桿直徑為28 mm，長為24 m，錨固傾角為25 °，錨桿間距為2.5 m。軟弱夾層厚為1 m，軟件采用強度折減法計算邊坡安全系數。模型結構的具體參數如表1所示：

表1 模型結構參數

結構 彈性模量/

MPa 泊松比 容重/

（kN/m3） 黏聚力/

kPa 摩擦角/°

巖體 3 000 0.3 25 500 30

軟弱夾層 1 000 0.35 15 50 20

錨桿 200 000 0.25 80 — —

3 結果分析

3.1 邊坡開挖分析

邊坡分級開挖過程中，邊坡坡腳的位移變化如圖2所示：

圖2 邊坡開挖過程中坡腳位移變化圖

由圖2可知，隨著邊坡的開挖，坡腳處水平位移、豎向位移均在不斷增大；坡腳水平位移的曲線斜率在逐漸增大，坡腳豎向位移的曲線斜率在逐漸減小。開挖過程中，坡腳處水平位移變化分別為：31.25%（5級邊坡開挖后）＜71.43%（4級邊坡開挖后）＜86.11%（3級邊坡開挖后）＜170.15%（2級邊坡開挖后）＜300.55%（1級邊坡開挖后）。坡腳處豎向的位移變化分別為：118.92%（5級邊坡開挖后）＞43.62%（4級邊坡開挖后）＞23.5%（3級邊坡開挖后）＞13.46%（2級邊坡開挖后）＞10.84%（1級邊坡開挖后）。在開挖到2級邊坡前，坡腳處豎向位移遠大于坡腳水平位移，每級邊坡開挖后豎向位移分別是水平位移的6.94倍（6級邊坡）、11.57倍（5級邊坡）、9.7倍（4級邊坡）、6.46倍（3級邊坡）、2.7倍（2級邊坡）。1級邊坡開挖后，坡腳水平位移是坡腳豎向位移的1.34倍。

邊坡開挖過程中，每級邊坡對應下的邊坡安全系數如圖3所示。

由圖3可知，邊坡安全系數先增大后減小。6級邊坡開挖后，邊坡安全系數為1.25；4級邊坡開挖后，邊坡安全系數增大到1.39，較6級邊坡開挖后邊坡安全系數增大了11.2%；1級邊坡開挖后，邊坡安全系數減小到0.99，較4級邊坡開挖后邊坡安全系數減小了28.78%，可能與4級邊坡的坡率從1∶1.5變大為1∶1有關。

3.2 邊坡開挖錨固方案比選

已知在邊坡后期開挖過程中，邊坡安全系數的不斷減小，故需對邊坡進行加固。該文設置了4種加固方案：方案1（開挖完六級邊坡后再錨固）、方案2（開挖三級邊坡，錨固三級邊坡）、方案3（開挖二級邊坡，錨固二級邊坡）、方案4（開挖完一級邊坡，錨固一級邊坡）。4種錨固方案與不進行錨固的邊坡安全系數如圖4所示。

圖3 邊坡開挖過程中邊坡安全系數變化圖

圖4 不同錨固方案邊坡安全系數變化圖

由圖4可知，方案1的邊坡安全系數與開挖不錨固基本吻合。在開挖完1級邊坡后，開挖不錨固方案的邊坡安全系數為0.99；而方案1的邊坡安全系數從1.22增大到1.382，增大了13.28%，較不錨固增大了39.6%。

方案2在5、6級邊坡開挖后的邊坡安全系數與開挖不錨固、方案1吻合；從4級邊坡開挖后，邊坡安全系數大于開挖不錨固、方案1，此時邊坡安全系數分別為1.45（方案2）、1.39（開挖不錨固、方案1），增大了4.32%；而后開挖2、3級邊坡，安全系數下降到1.32，較4級邊坡錨固后減小了8.97%；開挖完1級邊坡并錨固后，邊坡安全系數增大到1.382，與方案2邊坡安全系數一致，較開挖2級邊坡后增大了4.7%。

方案3在開挖5級邊坡并錨固后，邊坡安全系數從1.24增大到1.39，增大了12.1%；而后開挖4級邊坡不錨固，邊坡安全系數增大到1.42，增大了2.16%，較方案2減小了2.07%，較方案1增大了2.16%；開挖3級邊坡并錨固后，邊坡安全系數增大到1.46，增大了2.82%，較方案2增大了5.04%，較方案1增大了8.15%，較開挖不錨固增大了8.15%；開挖2級邊坡后，邊坡安全系數減小到1.36，減小了6.85%，較方案2增大了3.03%，較方案1增大了11.48%；開挖1級邊坡并錨固后，邊坡安全系數增大到1.382。

方案4的邊坡安全系數每一級邊坡開挖后均為最大，從6級邊坡開挖并錨固到3級邊坡開挖并錨固，安全系數從1.28增大到1.46；從3級邊坡開挖并錨固到1級邊坡開挖并錨固，安全系數從1.46減小到1.382。整體而言，方案3較為經濟、安全。

3.3 邊坡開挖錨固方案優化

錨桿錨固效果與錨固長度、錨固傾角等均有關，為分析錨桿長度對邊坡安全系數的影響，該文設置了5種長度梯度：16 m、18 m、20? m、22 m、24 m。邊坡安全系數隨錨固的長度變化如圖5所示。

圖5 錨固長度對邊坡安全系數的影響

由圖5可知，邊坡安全系數隨錨桿長度的增加在逐漸增大。邊坡安全系數分別為1.55（錨桿長度為24 m）、1.52（錨桿長度為22 m）、1.44（錨桿長度為20 m）、1.28（錨桿長度為18 m）、1.16（錨桿長度為16 m）。較16 m相比，錨桿長度對邊坡安全系數的增大效果分別為：5.17%/m（錨桿長度為18 m）、7%/m（錨桿長度為20 m）、5.17%/m（錨桿長度為22 m）、4.2%/m（錨桿長度為

24 m），說明錨桿長度對邊坡安全系數的增大效果為先增大后減小。

錨桿傾角在工程中規定為15 °～35 °，故該文設置了5種傾角梯度：15 °、20 °、25 °、30 °、35 °。邊坡安全系數隨錨桿傾角的變化如圖6所示。

由圖6可知，邊坡安全系數隨錨桿傾角的增大在逐漸減小。邊坡安全系數分別為1.64（錨桿傾角為15 °）、1.6（錨桿傾角為20 °）、1.55（錨桿傾角為25 °）、1.47（錨桿傾角為30 °）、1.36（錨桿傾角為35 °）。較傾角15 °相比，錨桿傾角對邊坡安全系數的減小效果分別為：2.44%/5 °（錨桿傾角為20 °）、2.74%/5 °（錨桿傾角為25 °）、3.46%/5 °（錨桿傾角為30 °）、4.27%/m（錨桿傾角為35 °），說明錨桿傾角對邊坡安全系數的減小效果呈“M”形。

圖6 錨桿傾角對邊坡安全系數的影響

4 結論

該文以某順層巖質邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析開挖過程中坡腳水平位移、豎向位移及邊坡安全系數變化規律；比較邊坡錨桿支護時機對安全系數的影響；最后分析不同錨桿長度、錨桿傾角條件下，邊坡安全系數的變化規律，得到以下主要結論：

（1）隨著邊坡的開挖，坡腳處水平位移、豎向位移均在不斷增大；坡腳水平位移曲線斜率在逐漸增大，坡腳豎向位移曲線斜率在逐漸減小；邊坡安全系數先增大后減小。

（2）隨著邊坡錨固的頻繁，邊坡安全系數呈上升趨勢，其中邊開挖邊錨固的邊坡安全系數最大。

（3）邊坡安全系數隨錨桿長度的增加在逐漸增大；錨桿長度對邊坡安全系數的增大效果為先增大后減小。

（4）邊坡安全系數隨錨桿傾角的增大在逐漸減小；錨桿傾角對邊坡安全系數的減小效果呈“M”形。

參考文獻

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[5]龔文惠， 劉濤， 黃燕宏. 順層路塹邊坡錨桿支護穩定性的有限元模擬分析[J]. 巖土力學， 2005（S2）： 136-140.