鄧暉

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 3610012）

0 引言

高速公路工程作為國家經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)工程，是國家運輸網(wǎng)絡大系統(tǒng)中不可代替的環(huán)節(jié)，在國家經(jīng)濟和社會綜合發(fā)展過程中具有重要的作用。我國山區(qū)面積占全國陸地總面積60%以上，很多公路不可避免需要穿越山體，這就使得對公路邊坡高度的要求變得越來越高。在公路工程建設(shè)、使用過程中，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā)，這會帶來很多難題，最常見的是公路邊坡治理。公路邊坡是公路建設(shè)最常見的地質(zhì)環(huán)境之一，因公路邊坡穩(wěn)定性不確定，隨時可能失穩(wěn)破壞，因此需對其穩(wěn)定性重點關(guān)注。在加固邊坡工程中，組合使用預應力錨索、抗滑樁，能加快工程施工速度。近年來，關(guān)于預應力錨索試驗研究、抗滑樁理論方面的研究較少。在加固實際邊坡工程中，使用預應力錨索抗滑樁基本憑設(shè)計人員經(jīng)驗設(shè)計工程方案，加固效果無法獲得保障，因而優(yōu)化設(shè)計預應力錨索抗滑樁加固邊坡具有重要意義。本文以某高速公路邊坡為研究對象，基于預應力錨索，對該高速公路高邊坡穩(wěn)定性影響進行了模擬分析和優(yōu)化研究。

1 工程概況

該項目為沿海高速公路，該公路地處構(gòu)造剝燭丘陵地區(qū)，其中K20+065～K20+463 標段右側(cè)滑坡，該高速公路采用挖方路壁形式穿過此段，在路線右側(cè)為人工邊坡，高度52m，實際高程為93m。近期，該邊坡出現(xiàn)嚴重變形破壞，本文選取K20+208～K20+290 段為對象進行分析。

2 邊坡穩(wěn)定性FLAC3D 計算模型的建立

FLAC3D 屬于一種三維數(shù)值模擬軟件，該軟件在結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、流體、溫度等領(lǐng)域中進行分析研究。在巖土工程領(lǐng)域中，對邊坡支護穩(wěn)定性分析、計算基坑進行開挖變形、分析隧道支護應力-應變等實際工程中，F(xiàn)LAC3D 應用廣泛。FLAC3D 數(shù)值模擬分析軟件在基坑、邊坡支護、大壩建設(shè)、隧道開挖等工程中普遍應用。當對多級預應力錨桿支撐邊坡進行模擬時，必須與該邊坡施工實際情況相結(jié)合并進行以下假設(shè)：假定邊坡土質(zhì)基本平整，對支撐構(gòu)件按平面應力問題分析；假設(shè)模擬過程中地下水埋對邊坡不產(chǎn)生影響；假定預應力錨索材質(zhì)是理想彈性材質(zhì)，并符合變形的相容要求。按照設(shè)計，以井形方式布設(shè)各級邊坡錨索，按各級邊坡的豎直度布設(shè)了五列錨桿，錨桿之間水平和豎向間距分別為3.2m 和2.6m。錨具型號為JLM-32，錨桿所采用鋼筋級別為HRB335，各列錨桿均使用的外預應力為121kN。在FLAC3D 中，預應力錨桿采用了錨桿構(gòu)造單元Cable 完成了仿真建設(shè)，該設(shè)計模擬坡面、坡頂均為自由面，該計算模型屈服Mohr-Coulomb 準則。圖1 為三維計算模型。

圖1 三維計算模型

3 計算結(jié)果分析

計算預應力錨桿支護多級邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)(見圖2)，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)要不小于1.36，安全等級為二級時不小于1.31，邊坡安全等級為三級時不小于1.26。該邊坡安全系數(shù)為1.33，達到穩(wěn)定性要求。

圖2 邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

圖3 為邊坡的水平位移及豎向位移圖，邊坡水平位移部位集中于邊坡內(nèi)部、坡面。其中，圖3(a)表示在邊坡的坡腳處發(fā)生最大水平位移，圖3(b)表示在邊坡的坡腳處發(fā)生最大邊坡豎向位移。

圖3 邊坡的水平位移及豎向位移圖

3.1 錨固段長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

保持預應力605kN、錨桿傾角為20、錨索方向角65.5等參數(shù)不變，改變錨固段長度為11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.55m 五種工，圖4 為錨固段長度對邊坡安全系數(shù)的影響。

圖4 錨固段長度對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖4 知，隨著預應力錨固段長度的增大，多級邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢。在FLAC3D 計算結(jié)果中，當錨固段長度設(shè)置值低于13.5m 時，該區(qū)間安全系數(shù)隨錨固段長度增大而小幅度減??；當錨固段長度設(shè)置值高于2.5m 時，邊坡安全系數(shù)隨錨固段長度值增大快速下降，幅度較大。這表示所設(shè)置的外部預應力錨固性能段長度越小，即錨索越密集，負荷可由較多數(shù)量錨桿共同承受，因此單條錨桿的承受負荷值也較小，錨桿對巖石體有良好的約束力，邊坡穩(wěn)定性也越好。本文的理論方法和FLAC3D 模擬得到相同的結(jié)果趨勢，但數(shù)據(jù)上的差別比較小。

3.2 錨索方向角對邊坡穩(wěn)定性的影響

保持錨固段長度13.5m、預應力605kN 等不變，改變 錨 索 方 向 角α，分 別 設(shè) 置 為45.5、55.5、65.5、75.5、85.5，圖5 為安全系數(shù)隨錨索方向角的變化。

圖5 錨索方向角對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖5 知，邊坡安全系數(shù)隨著錨索方向角逐漸增大呈遞增趨勢，在FLAC3D 計算的安全系數(shù)曲線中，邊坡安全系數(shù)在75.5時最大，其值為1.34。繼續(xù)增大錨索方向角度，邊坡安全系數(shù)降低，邊坡安全系數(shù)隨錨索方向角的增大而增加，上升幅度在到達頂峰前逐漸變緩，在錨索方向角為45.5～75.5時，邊坡安全系數(shù)比增幅較大，在錨索方向角大于75.5后，趨勢變化幅度縮小，邊坡安全系數(shù)增幅降低。理論方法和FLAC3D 趨勢相同，計算結(jié)果值比FLAC3D 值要小。

3.3 預應力對邊坡穩(wěn)定性的影響

保持錨固段長度13.5m、錨桿傾角為20、錨索方向角65.5等參數(shù)不變，改變土體預應力c 值，設(shè)置為205kN、405kN、605kN、805kN、1005kN，圖6 為邊坡安全系數(shù)隨土體預應力變化曲線圖。

圖6 預應力對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖6 知，在FLAC3D、理論方法對應安全系數(shù)曲線中，安全系數(shù)隨土體預應力增大遞增。在預應力值較小時，隨預應力值增大，邊坡安全系數(shù)增長迅速；在預應力值增大到一定程度時，隨著預應力值增大，邊坡安全系數(shù)增大幅度減小。在205kN～805kN 區(qū)間內(nèi)時，預應力值所對應安全系數(shù)從1.13 增大到1.38，增長了0.25；在805kN～1005kN 區(qū)間內(nèi)，預應力為1005kN 時的安全系數(shù)值為1.46，增長0.08。這說明隨著預應力值增大，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，在預應力值增大到一定程度時，對安全系數(shù)影響減小。

4 預應力錨索相關(guān)參數(shù)優(yōu)化

當所承載的荷載較小時，土體本身固結(jié)強度足可支撐預應力錨索加固邊坡的穩(wěn)定性，土體、錨索幾乎不發(fā)生位移；當荷載逐漸變大時，預應力錨索開始出現(xiàn)拉伸變形，將拉力傳給錨固段，此時滑坡下滑的推力由錨固段來承擔。在設(shè)計預應力錨索時，要將預應力錨索支護性能當作首要考慮因素，結(jié)合對錨索施加錨索傾角、預應力、錨索間距、錨固段的長度等參數(shù)，本文抗滑樁尺寸采用2.5m×3.5m×20.5m，樁間凈距最佳優(yōu)化值4.05m，樁錨固深度采用優(yōu)化值為7.5rn。

4.1 錨固段長度的影響分析

在確定預應力錨索錨固段長度時一般采用理論計算法、規(guī)范類推法以及現(xiàn)場試驗法等。根據(jù)錨索錨固段最遠端軸力的衰減值對錨固段長度進行優(yōu)化。變動錨索錨固段長度，取11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.5m 建立五組模型，原模型默認參數(shù)為：M10～M14 錨索自由段所承受的預應力大小為505kN、保持錨固段長度13.5m、錨桿傾角為20，M10設(shè)計拉力值為805kN。

4.1.1 錨固段長度對錨固段軸力的影響分析

錨固段軸力受到錨固段長度的影響如圖7 所示，由圖7 知，當向M10～M14 所施加的預應力大小相等時，衰減速度各不相同，其中邊坡頂部的衰減速度相對較快，這是由于在邊坡頂部處錨索所承受的滑坡下滑推力最小，邊坡帶動錨索所產(chǎn)生的位移最小。錨索M10 的最佳錨固段長度為14.5m，錨索M11～M14 的最佳錨同段長為10.5m。

圖7 錨固段長度對錨固段軸力的影響

4.1.2 錨索錨固段長度對邊坡和抗滑位移、剪力及彎矩的影響分析

對錨索施加一定預應力時，隨錨索錨固段長度增加，柱頂、邊坡的最大位移、樁體最大剪力隨之減少，當錨固段的長度變大時，樁體最大彎矩會相應增大，即彎曲程度進一步降低（見表1）。隨著錨固段長度的增大，在開始階段各種參數(shù)產(chǎn)生了明顯改變，逐步增加當錨固段長度達到10.5m 后，各種參數(shù)的變化逐漸趨于穩(wěn)定。當錨固性能段長度為一定值后，隨著高度增加可以提高錨頭的支護性能效果，當錨頭強度達到了極限值，則錨固性能段長度即為臨界錨固長度。因此，并非錨固段越長越好，但同樣不可過短，因為錨固過短會將錨固地基局部剛度降低，增加了錨固端風險。所以，在設(shè)定錨索的錨固段長度時，必須通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行合理取值。當錨索M11～M14 自由段施加505kN 預應力時，錨索錨固段最佳錨固長度為10.5m。

表1 錨固段長度對邊坡和抗滑位移、剪力及彎矩的影響

4.2 錨索方向角的影響分析

錨索方向角指錨索與滑裂所成銳角，錨索方向角會直接影響錨索受力、錨索長度，因此有必要合理選擇。從施工工藝角度考慮錨索方向設(shè)置時，應和滑裂線下傾夾角為宜，一般下傾角為50.5～60.5時錨索受力最佳。對于不同方向角時的模型，采用定義施工階 段 方 法 批 量 分 析。建 立45.5、55.5、65.5、75.5、85.5錨索網(wǎng)格，邊坡最大水平位移以及樁身最大負彎矩在錨索角度變化時受到的影響如表2 所示。

表2 錨索方向角對邊坡最大水平位移及樁身最大負彎矩的影響

由表2 知，隨錨索方向增加，樁身最大負彎矩、邊坡的最大水平位移趨勢相同，隨錨索方向角度的增大而遞減，在50.5～60.5范圍內(nèi)取平均值，說明錨索的支撐效果良好，而且當超過最優(yōu)方向角度后，隨錨索方向角度增大，二者均相應增加，當超過85.5時，遞增趨勢明顯加快，當錨索方向角度α＞85.5后，錨頭注架高度下降明顯，砂漿與巖壁間會有脫離現(xiàn)象發(fā)生，錨索拉力可分解為與滑面滑移方向相切切向分力、垂滑面的法向分力，滑裂在切向分力作用下會加快，增大了邊坡位移，樁身負彎矩也增加。該高速公路高邊坡路段錨索最優(yōu)方向角采用55.5～65.5，該項目采用方向角55.5位于最優(yōu)方向角范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文以某高速公路邊坡為研究對象，基于預應力錨索，對該高速公路高邊坡穩(wěn)定性影響進行了模擬分析和優(yōu)化研究，得出如下結(jié)論：

其一，當預應力錨固段的長度變大時，坡度安全系數(shù)會有所下降。隨著預應力錨固段長度的增大，多級邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢。當錨固段長度設(shè)置值高于2.5m 時，邊坡安全系數(shù)隨錨固段長度值增大快速下降，幅度較大。其二，當錨索錨固段長度發(fā)生變化時，樁身位移和內(nèi)力出現(xiàn)顯著的變化，錨固長度段越長，樁體水平位移越小、支撐構(gòu)件內(nèi)力變化越小，當最優(yōu)的預測錨固性能段長度達到后，各參量變動已趨于穩(wěn)定。其三，邊坡中心也是埋設(shè)防滑樁的首選部分，最大接觸面積處于樁與下滑面的下滑混凝土體間，樁頂部位周圍土體水平移動較大。但實際施工的時候錨索方向角在0～85.5的范圍內(nèi)取值，當α＜0或α ＞85.5時，錨索應力并不能發(fā)揮加固坡度的效果，反而對邊坡穩(wěn)定性不利。該項目錨索預應力最優(yōu)值為705kN，錨索錨固段最佳錨固長度為10.5m，方向角55.5位于最優(yōu)方向角范圍內(nèi)。