賈慧光

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 滄州 062350）

邊坡工程涉及公路、鐵路、礦山等眾多領(lǐng)域，中國(guó)近些年發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象主要以滑坡、山體崩塌為主，其中滑坡災(zāi)害占比達(dá)到74.5%。尤其是邊坡開(kāi)挖后，巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，巖體易生成張拉裂紋（卸荷裂隙），導(dǎo)致邊坡更容易產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，山區(qū)滑坡問(wèn)題嚴(yán)重影響了工程建設(shè)。隨著我國(guó)交通建設(shè)的重點(diǎn)逐漸向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，邊坡的穩(wěn)定性分析已經(jīng)成為眾多學(xué)者主要的研究方向。由于巖體內(nèi)部的非均質(zhì)性，導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境多變，錨桿的最佳錨固方式不易確定，因此眾多學(xué)者對(duì)錨桿支護(hù)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。其中D.Y.Zhu 等[1]認(rèn)為錨固力不應(yīng)作為集中力來(lái)進(jìn)行計(jì)算，錨固力應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，按照一定的算法將其合理的分布于滑移面。熊文林等[2]研究發(fā)現(xiàn)錨桿的方向角對(duì)支護(hù)效果影響較大，并根據(jù)相應(yīng)算法給出了錨桿傾角的取值范圍。Zienkiewicz O C 等[3]最早通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。隨后，宋二祥[4]基于強(qiáng)度折減法分析邊坡的安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)以強(qiáng)度折減法為算法基礎(chǔ)能較好地對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。朱煥春[5]對(duì)三峽工程邊坡錨固進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，錨桿的變形一定程度上受到錨桿直徑的影響。近年來(lái)，F(xiàn)LAC3D 成為邊坡工程主要數(shù)值模擬軟件。由于巖土體本身性質(zhì)的復(fù)雜性，不同區(qū)域的巖性存在較大差異，會(huì)對(duì)錨桿支護(hù)方案的確定產(chǎn)生較大影響，因此文章總結(jié)前人對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析成果，以具體的工程為例，對(duì)其進(jìn)行FLAC3D 數(shù)值模擬，分析開(kāi)挖前后安全系數(shù)，并提出相應(yīng)的支護(hù)方案。

1 強(qiáng)度折減法求解安全系數(shù)

采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析逐漸成為數(shù)值模擬和實(shí)際工程研究的重點(diǎn)，結(jié)合有限差分法的強(qiáng)度折減法能夠模擬巖土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)（錨桿、錨索、土釘?shù)龋┑墓餐饔?。?duì)于Mohr-coulomb 破壞準(zhǔn)則來(lái)說(shuō)，安全系數(shù)F 求解主要由下列公式求解。

2 工程概況

某高速公路旁邊坡開(kāi)挖后形成四級(jí)土石質(zhì)邊坡，邊坡所在地區(qū)風(fēng)化較為嚴(yán)重，開(kāi)挖前是一個(gè)較長(zhǎng)的緩坡，開(kāi)挖后邊坡高度約為32m，其中一級(jí)邊坡坡率為1 ∶0.25，二級(jí)到三級(jí)邊坡坡率為1 ∶1.25，四級(jí)邊坡坡率為1 ∶1.8。巖土體大致分為4 層，最上層土層為紅黏土，其整體性較差；紅黏土下層為強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖，厚度為8.0 ～10.0 m；中風(fēng)化紅砂巖是第三層，其中少量泥巖夾雜其中，厚度8.0 ～15.5m；第四層砂巖整體性較好，強(qiáng)度相對(duì)較高。

3 支護(hù)前數(shù)值模擬分析

3.1 模型參數(shù)

FLAC3D 在巖土工程的計(jì)算中具有優(yōu)越性，但由于對(duì)一些較為復(fù)雜工程的模型建立較為復(fù)雜，因此，文章采取ANSYS 協(xié)助建立邊坡模型，F(xiàn)LAC3D 模型的建立具體操作如下：首先利用AutoCAD 制作邊坡的比例圖，然后將得到的文件導(dǎo)入到ANSYS 完成模型建立和網(wǎng)格劃分，最后運(yùn)用FLAC3D-ANSYS 連接程序輸出可在FLAC3D 中運(yùn)行的文件，并通過(guò)FLAC3D 數(shù)值模擬軟件導(dǎo)入完成最終的模型。計(jì)算模型土體參數(shù)如表1 所示。其中體積模量和剪切模量可通過(guò)彈性模量和泊松比計(jì)算所得。

3.2 開(kāi)挖后邊坡穩(wěn)定性分析

對(duì)開(kāi)挖邊坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要對(duì)其位移變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)繪圖軟件繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線，并與所作數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，與所建立FLAC3D 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果相符合。

邊坡開(kāi)挖后，在地應(yīng)力的作用下，水平方向的位移在邊坡坡腳位置達(dá)到最大值為13mm，在地應(yīng)力作用下上方坡體垂直位移明顯大于下方邊坡底角及基巖位移，且主要變形集中于紅黏土層、強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖層，這是造成邊皮不穩(wěn)定的主要因素。

坡體的滑移對(duì)坡腳的附加荷載，導(dǎo)致其成為受應(yīng)力最大區(qū)域。在中風(fēng)化紅砂巖層與風(fēng)化程度較低紅砂巖分界面處應(yīng)力有一個(gè)明顯激增的現(xiàn)象。垂直方向應(yīng)力云圖可知，在重力場(chǎng)的影響下，應(yīng)力等值線基本與邊坡坡度平行。

由上可知，紅黏土層及風(fēng)化巖層的存在對(duì)邊坡穩(wěn)定性存在威脅，此時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.25。巖層分界面形成潛在滑動(dòng)面，由于該邊坡坡腳較陡，且?guī)r層傾角較大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)較小。因此，需對(duì)開(kāi)挖后邊坡進(jìn)行支護(hù)。

3.3 邊坡支護(hù)方案的確定

邊坡支護(hù)方案設(shè)計(jì)中主要考慮錨桿的長(zhǎng)度、角度，根據(jù)規(guī)范要求，錨桿長(zhǎng)度需要超過(guò)潛在下滑面1.5m 作為設(shè)計(jì)的基本要求，其中錨桿參數(shù)如下表2 所示。

表2 錨桿參數(shù)

由于錨桿的射入角對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，因此，主要考慮不同錨桿角度對(duì)邊坡支護(hù)穩(wěn)定性的影響，錨桿傾角按式（3）計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，文章選取不同錨桿角度（5°、15°、30°和45°）的支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比。

3.4 結(jié)果分析

由強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的安全系數(shù)如表3 所示。由表3 可知，錨桿能較大程度的增加邊坡的穩(wěn)定性，且不同錨桿傾角支護(hù)下邊坡的安全系數(shù)有較大的差異，其中當(dāng)錨桿角度為5 ～30°時(shí)，隨著角度的增加，安全系數(shù)從1.33 逐漸增加至1.68；當(dāng)錨桿角度為30 ～45°時(shí)，隨著角度的增加，安全系數(shù)有所下降，因此文章要著重對(duì)錨桿角度為30°時(shí)的支護(hù)方案進(jìn)行進(jìn)一步討論。

錨桿將分層的巖土體重新連結(jié)成一個(gè)新的整體，錨桿存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，從一定程度上延緩了滑坡面的滑移，起到了增韌止裂的效果，當(dāng)錨桿角度為30°時(shí)，抗滑移能力達(dá)到最大值，因此其安全系數(shù)最高。

表3 邊坡力學(xué)物理參數(shù)

垂直方向應(yīng)力云圖可知，在自重應(yīng)力作用下，相比于未加固邊坡，錨桿加固后邊坡應(yīng)力分層現(xiàn)象減弱。由此表明，潛在下滑面由于錨桿的射入而減弱，但由于紅黏土層與錨桿之間摩擦系數(shù)較小，導(dǎo)致錨桿支護(hù)后邊坡雖然穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到要求，但紅黏土層仍存在潛在危險(xiǎn)，需對(duì)其進(jìn)行二次支護(hù)，防止其在雨水的沖刷下發(fā)生滑坡現(xiàn)象。

4 結(jié)論

文章采用強(qiáng)度折減法對(duì)開(kāi)挖后邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)不同錨固方式對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行進(jìn)一步分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）由于原有邊坡風(fēng)化程度較為嚴(yán)重，邊坡開(kāi)挖后，坡腳所受應(yīng)力過(guò)大，邊坡安全系數(shù)較小，因此需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)。

（2）邊坡錨桿角度的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，隨著入射錨桿角度的增加，安全系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)錨桿入射角度為30°時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最大值。

（3）錨桿支護(hù)后邊坡形成錨固體，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要集中于錨桿位置，當(dāng)錨桿角度為30°時(shí)，錨桿與邊坡角度接近垂直，錨桿的抗剪切性能達(dá)到最大。