褚錦彩（核工業(yè)柳州工程勘察院，廣西柳州545005）

分析框架預應力錨桿邊坡支護結構穩(wěn)定性算法與應用

褚錦彩（核工業(yè)柳州工程勘察院，廣西柳州545005）

支護結構、錨桿會對土體邊坡的穩(wěn)定性產生影響，在這種情況下，結合土體邊坡滑動面的極限平衡理論，利用圓弧滑動條分法，針對邊坡危險性較高的滑移面，建立了相應的搜索模型，并對邊坡滑移面圓心位置與穩(wěn)定系數之間的函數關系進行分析。本文主要利用計算機技術確定滑移面圓心所處的具體位置，并采用網格法在圓心范圍內搜索危險性較高的滑移面圓心，有效實現了框架預應力錨桿邊坡支護結構穩(wěn)定性的準確計算，并在基礎上，對框架預應力錨桿穩(wěn)定性的相關計算軟件進行研究，僅供參考。

預應力錨桿；邊坡支護；滑移面

1 前言

我國西部地區(qū)多為地形復雜的山區(qū)，在這些地區(qū)所涉及的公路、房屋建設均和邊坡支護有關聯(lián)。隨著科學技術的不斷發(fā)展，一些以巖土錨固技術為核心的新型支護結構被廣泛應用邊坡支護，傳統(tǒng)的邊坡支護結構具有造價高、操作復雜、穩(wěn)定性差、支護高度受限等不足，而這種新型的支護結構具有經濟性、外形美觀、穩(wěn)定性強等特點，有效彌補了傳統(tǒng)支護結構的不足之處，在邊坡支護工程中具有較高的應用價值。另外，還可以結合相關綠化措施，有效應用于公路、鐵路和房屋建設中，避免發(fā)生滑坡現象，對保護周邊環(huán)境及人身安全具有重要意義。

2 框架預應力錨桿結構模型

框架預應力錨桿支護結構屬于輕型擋土結構，主要由擋土板、墻后土體、錨桿和框架組成。其中橫梁、立柱和擋土板組成了框架，這三者連接處和樓蓋的豎向梁板結構體系相似，錨桿錨頭與框架在立柱與橫梁交叉處進行連接，內端錨固被固定在土體中。擋土板水壓力或土壓力的傳遞流程為：土壓力或水壓力-鋼拉桿-水泥砂漿-土層摩擦力-錨固區(qū)的穩(wěn)定地層中，以承受擋土板的土壓力或水壓力對支擋結構的作用力，框架預應力錨桿支護結構立面圖如圖1所示。

圖1 框架預應力錨桿支護結構立面圖

在框架預應力錨桿邊坡支護結構中，錨桿的主要作用在于對土體的力學性能與受力狀態(tài)進行改善，將傳統(tǒng)支護結構的被動型擋護轉變?yōu)槔猛馏w自身能力的主動型擋護，對土體位移進行有效控制。若邊坡向外的破壞力不斷增加，錨桿支護即可隨之增大，直至超出極限平衡，從而對邊坡的穩(wěn)定性造成破壞，若將錨桿拔出，其支護力會逐步減小，而形成輕型柔性支護結構。由于框架預應力錨桿支護邊坡已完全克服了傳統(tǒng)邊坡支護結構的弊端，再加上在具體的施工工程中對邊坡的擾動較小，預應力錨桿可對邊坡變形進行有效控制。在工程施工完成后，還可采取符合生態(tài)支護理念的綠化措施進行施工，可見，盡管框架預應力錨桿支護的作用機理與理論研究尚不成熟，但仍被廣泛應用于邊坡支護中，框架預應力錨桿支護結構剖面圖見圖2。

圖2 框架預應力錨桿支護結構圖

3 框架預應力錨桿穩(wěn)定性的計算

3.1 圓弧滑動法

該方法主要適用于一些土質邊坡或規(guī)模較大的巖質邊坡中，在已經確定滑移面的基礎上，邊坡的穩(wěn)定性可根據以下公式予以計算：

圖3 穩(wěn)定性驗算簡圖

上述（1）～（3）式中：Ks表示邊坡穩(wěn)定性系數；MR、MT分別表示表示滑動面上抗滑力矩的總和、總下滑力矩總和；n表示滑動體分條數；H表示邊坡支護的具體高度；m表示錨桿的層數；γ0表示重要性系數；R表示滑移面圓弧的半徑；Wi表示第i分條土重；bi表示第i分條的寬度；Y表示圓心至地表面的主要距離；Cik表示第i分條滑裂面處粘聚力的具體值；φik表示第i分條滑裂面處內摩擦角的具體值；θi表示第i分條滑裂面處切線與水平面之間的夾角；αj表示第j層錨桿與水平面的夾角；Li表示第i分條滑裂面處弧長；s表示滑動體單元的厚度；q0表示邊坡頂面荷載的分布；F表示框架錨桿底部水平推力的標準值。

3.2 圓弧滑動條分法

利用圓弧滑動條分法對邊坡穩(wěn)定性進行計算，在確定滑移面的情況下，即可獲得準確的穩(wěn)定性系數，因此，將危險性較高的滑移面確定下來，即可計算出最小安全系數，并根據該系數來判斷邊坡的穩(wěn)定性是否滿足相關要求。確定危險性較高滑移面的具體內容為：

3.2.1 兩個假設

①假設圓心不會出現在直線OC的右側和直線CE下側，根據幾何關系，則圓弧上任意切線與水平面的夾角為0～90°；②邊坡危險性最高滑移面圓弧經過基坑底面的A處，見圖4。

圖4 高危險性滑移面的搜索模型圖

3.2.2 建立搜索模型

如圖4所示，建立以O′（-x′，-z′）為圓心、O（0，0）為坐標原點的直角坐標系。圓弧圓心O′的所在區(qū)域為矩形OCDE，以R為圓弧半徑。在具體的搜索過程章，根據圓心位置的變化情況，來搜索滑移面，并對其對應的穩(wěn)定性系數進行計算。在所建的坐標系中，建立圓心O′與穩(wěn)定性計算公式之間函數關系Var（-x′，-z′），相關變量的詳細計算內容如下：

圖5表示錨桿在圓弧面外錨固體的具體長度，以第j層錨桿與圓弧交點為中心C（Xj）Zj+ΔZj，lfj、Lnj分別表示滑移面內錨桿長度和滑移面外錨桿長度，則錨桿總長度的計算公式為：

Lj=lfj+lnj（5）

圖5 錨桿在滑移面外長度計算簡圖

4 工程實例

4.1 工程概況

某大樓的邊坡支護分為上下兩級，第二級邊坡采用框架錨桿進行支護，支護高度為12m，邊坡重要性系數和安全系數分別取1.0、1.3，邊坡土體的設計參數見表1。

表1 設計參數

4.2 支護方法及設計結果

利用框架錨桿預應力錨桿進行支護，并對其結構整體穩(wěn)定性進行驗算。相關驗算結果是滿足相關穩(wěn)定性要求的，框架錨桿支護設計剖面如圖6所示。

圖6 支護結構設計剖面圖

5 結論及討論

（1）極易極限平衡理論，通過圓弧滑動條分法建立最危險滑移面搜索模型，并根據該模型，推導出了滑移面圓心與安全系數之間的函數關系，并利用計算機技術來確定圓心所在區(qū)域，從而對框架預應力錨桿支護結構的穩(wěn)定性進行驗算，大大提高了滑移面搜索的效率和質量。

（2）支護結構、錨桿會對土體邊坡的穩(wěn)定性產生影響，且最危險滑移面是隨著設計參數的變化而發(fā)生變化的，而通過經驗公式來確定最危險滑移面是不可靠的，而通過計算機動態(tài)搜索技術來確定最危險滑移面具有一定的科學性和合理性。

（3）對框架預應力錨桿支護結構的穩(wěn)定性進行驗算，所建立的計算模型尚存在較多不完善之處，比如：土體參數的不確定性、錨桿與土體的相互作用等因素會影響邊坡的穩(wěn)定性，因此，應進一步完善和改進其中存在的問題。同時，還應加強對數值計算、計算機仿真等方面的研究，以確保邊坡支護的穩(wěn)定性。

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TU43

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2095-2066（2016）33-0101-02

2016-11-10