傅建紅，劉 澤，陳 高，沈興沉

（1.浙江交工宏途交通建設有限公司，浙江 杭州 310051；2.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201；3.浙江交工國際工程建設有限公司，浙江 杭州 310051）

山區(qū)高速公路的修建，常常伴隨有高挖深填的現(xiàn)象，從而造成了大量的人工邊坡和次生邊坡，保證這些邊坡的穩(wěn)定性是道路安全運行的前提。在邊坡支護結構中，錨桿框格梁是常用的結構形式之一[1]。錨桿通過發(fā)揮其自身的高強度特性將破碎圍巖和深層巖體緊密結合在一起，從而提高了邊坡整體的穩(wěn)定性。在錨固體系中，錨桿發(fā)揮著極其重要的作用，同時錨桿參數(shù)的選取也直接影響著邊坡的支護效果。

目前有很多學者對錨桿加固邊坡的穩(wěn)定性進行了研究：李忠[2]針對土質(zhì)邊坡的破壞模式，采用極限平衡法對錨桿加固邊坡的穩(wěn)定進行了研究，建立了邊坡最危險滑動面的搜索模型，并給出了邊坡滑裂面中心所處位置與穩(wěn)定系數(shù)之間的函數(shù)關系。孫國棟[3]針對凍土邊坡的特點，通過考察凍土邊坡的滑移實例及其破壞形式，提出了高陡邊坡的凍融折線型滑移面，在考慮凍融循環(huán)下坡體損傷、坡體滲流及溫度變化三種影響因素下，給出了凍土區(qū)域錨桿加固邊坡的穩(wěn)定性計算方法。張妙芝[4]研究了地震作用下錨固邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律及錨桿預應力的動力響應規(guī)律，指出地震作用下，作用于邊坡不同位置處的錨桿其動力響應具有很大的差別，坡頂處錨桿的動力響應較大。韓愛民[5]結合實際工程，采用數(shù)值模擬研究了錨固邊坡錨桿的力學行為，對支護體系和加固坡體之間相互作用的空間力學效應進行了研究。這些研究為錨固邊坡的設計提供了充分的理論依據(jù)，對工程施工具有很好的指導意義。

為進一步研究多錨加固邊坡的加固效果，文章結合鄭西（鄭州至西峽）高速公路EK1+640斷面深路塹邊坡的施工，采用FLAC3D建立數(shù)值分析模型，基于強度折減法對多錨加固邊坡的穩(wěn)定性進行分析，以討論錨桿參數(shù)對深路塹邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景與分析方法

1.1 工程背景

為研究多錨加固深路塹邊坡的穩(wěn)定性，依托工程鄭西（鄭州至西峽）高速公路EK1+640斷面深路塹邊坡為背景建立數(shù)值分析模型。EK1+640斷面深路塹邊坡高70.6m，分七級進行開挖，每級邊坡開挖深度為10m。首先對單級邊坡的穩(wěn)定性進行分析，以底部一級邊坡為例，將該級邊坡上部巖土體轉換成等效荷載進行計算，如圖1所示。該級邊坡采用錨桿進行支護，邊坡坡率為1∶0.75，每根錨桿長9m，錨孔為直徑為90mm，錨桿間垂直間距為2m，錨桿與水平方向的夾角為20°。

圖1 EK1+640深路塹邊坡底部一級斷面圖

1.2 模型建立

采用FLAC3D建模，并基于強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析。數(shù)值分析模型依照EK1+640斷面深路塹邊坡底部一坡斷面按1∶1建立，如圖2所示。為便于計算，沿路線方向取y=6m。錨桿采用FLAC3D自帶的錨索單元（cable）模擬，框格梁采用梁單元（beam）模擬，梁截面尺寸為200mm×200mm，框格梁垂直間距為2m，沿路線方向間距同樣為2m。模型計算前，固定模型底部節(jié)點所有方向的速度，以及固定前后側面節(jié)點x方向速度和左右側面節(jié)點y方向速度，只留坡面和模型頂面作為自由面。邊坡巖土體、錨索和梁的力學參數(shù)表如表1、表2、表3所示。

2 計算結果分析

2.1 錨桿加固效果

錨桿加固前后邊坡的水平位移云圖如圖3所示。由水平位移云圖可知，錨桿加固前，邊坡的水平最大位移出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，這和分級開挖時邊坡頂部等效均布荷載的分布特點有關。錨桿加固后，面坡處的水平位移有明顯下降，坡體內(nèi)部的最大水平位移場向錨桿作用范圍內(nèi)進行了延伸，這主要是因為在錨桿的作用下，沿錨桿長度范圍內(nèi)的巖土體和深層巖體聯(lián)系在了一起，在邊坡頂部等效均布荷載的作用下，深層巖體產(chǎn)生較大的水平位移的同時，錨桿長度范圍內(nèi)巖土體的水平位移也同樣有所增加。

圖2 單級錨桿支護邊坡分析模型

表1 邊坡巖土體的力學參數(shù)

表2 錨索單元的力學參數(shù)

表3 梁單元的力學參數(shù)

圖3 錨桿加固前后邊坡水平位移云圖

錨桿加固前后邊坡的水平應力云圖如圖4所示。由水平應力云圖可知，錨桿加固前，邊坡的最大水平應力約為0.43MPa，面坡處最大水平應力約為5.38kPa。錨桿加固后，由于邊坡進行錨桿框格梁加固后，錨桿、框格梁二者共同發(fā)揮作用，錨桿作用范圍內(nèi)巖土體的剛度增大，使得面坡處巖土體的應力狀態(tài)發(fā)生改變，尤其對于水平應力而言，在錨桿作用下錨桿端部巖土體產(chǎn)生一定范圍的壓應力區(qū)，這在很大程度上增加了邊坡的穩(wěn)定性。

圖4 錨桿加固前后邊坡水平應力云圖

錨桿加固前后邊坡剪應變增量云圖如圖5所示。由圖5可以知道，由于僅考慮了巖土體的自重荷載（坡頂?shù)刃Ь己奢d也為上級各邊坡的自重荷載轉換而來），因此荷載大小小于坡體的極限荷載，錨桿加固前后邊坡的最大剪應變區(qū)均沒有形成貫通的滑裂面，但是坡體內(nèi)部潛在滑裂面的位置發(fā)生了變化。同時還可以看到，錨桿加固前邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.41，錨桿加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.6，錨桿的加固作用明顯提高了邊坡的穩(wěn)定性。

2.2 錨桿參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響

（1）錨桿安裝角度的影響。保持錨桿原安裝參數(shù)不變，僅改變錨桿的安裝角度，分別取錨桿安裝角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°對錨桿加固邊坡進行計算，以分析錨桿安裝角度對邊坡加固效果的影響，探討安裝錨桿的最優(yōu)角度范圍。錨桿不同安裝角度時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖6所示。與未進行錨桿加固的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)相比，無論錨桿安裝角度為多大，采用錨桿加固后邊坡的穩(wěn)定性均有明顯的提高。對圖6進一步分析可知，當錨桿安裝角度為5°時，加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最低，為1.54；當錨桿安裝角度為30°時，加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)最高，為1.63，隨后隨安裝角的增加而減小?？梢?，錨桿的最佳安裝角度應為20～30°。

圖5 錨桿加固前后邊坡剪應變增量云圖

（2）錨桿長度的影響。保持錨桿原安裝參數(shù)不變，僅改變錨桿的長度，分別取錨桿長度4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m對錨桿加固邊坡進行計算，以分析錨桿長度對邊坡加固效果的影響。錨桿不同長度時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖7所示。可以看到，進行錨桿加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于未支護邊坡的安全值1.40。當錨桿長度小于8m時，加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均不超過1.57，加固效果并不明顯?？梢?，錨桿的安裝長度應不小于8m。

3 結束語

（1）結合工程實例，對多錨加固邊坡進行了強度折減分析，錨桿加固前邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.41，錨桿加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.6，錨桿的加固作用明顯提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖6 錨桿不同安裝角度時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

圖7 錨桿不同安裝角度時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

（2）保持錨桿原安裝參數(shù)不變，僅改變錨桿的安裝角度，分析了錨桿安裝角度對邊坡加固效果的影響，結果表明，錨桿的最佳安裝角度應為20～30°。

（3）保持錨桿原安裝參數(shù)不變，僅改變錨桿的長度，分析了錨桿安裝長度對邊坡加固效果的影響，通過計算可知，錨桿的安裝長度應不小于8m。