摘要：文章采用FLAC 3D軟件模擬壓力型錨桿支護(hù)邊坡的模型，分析了壓力型錨桿應(yīng)力松弛后再加固的邊坡土體應(yīng)力及位移特性，結(jié)果表明：邊坡土體應(yīng)力、位移變形均隨著錨固力的增大而減小；邊坡土體變形為彈塑性變形，但仍可以通過多次施加預(yù)應(yīng)力維持邊坡穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：滑坡；壓力型錨桿；應(yīng)力松弛再加固；應(yīng)力；位移

中圖分類號(hào)：U416.1+4

0 引言

邊坡滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，具有極大的危害性，治理措施除卸荷外，通常采用支擋方式。學(xué)者們對(duì)邊坡的支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究［1-2］。但研究對(duì)象多以拉力型錨桿為主，而針對(duì)壓力型錨桿的研究較少，且針對(duì)錨桿應(yīng)力松弛后再加固的研究更少［3-4］。本文采用FLAC 3D軟件模擬壓力型錨桿應(yīng)力松弛后再加固的邊坡應(yīng)力、位移響應(yīng)特性，旨在為邊坡錨固防護(hù)進(jìn)行多次張拉、維持邊坡穩(wěn)定性相關(guān)工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 滑坡概況及治理措施

某公路的K58+825～K59+000段邊坡所在路段屬于典型的剝蝕丘陵地貌，地面標(biāo)高133.0～196.0 m。路線以120°方向切割山體下部，邊坡下方還分布有民房。原設(shè)計(jì)邊坡共3級(jí)，開挖至二級(jí)邊坡進(jìn)行了掛網(wǎng)噴混凝土后，后緣出現(xiàn)裂縫，伴有錯(cuò)臺(tái)情況，裂縫最深為2 m，寬度約為20 cm，并從后緣至現(xiàn)施工平臺(tái)出現(xiàn)貫穿式裂縫。主滑方向?yàn)?6°，滑面深度為8～10 m，滑體方量約為10×104 m3，主要成分為破碎的強(qiáng)風(fēng)化板巖。

結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，經(jīng)分析、討論，認(rèn)為K58+825～K59+000段右側(cè)深挖路塹邊坡滑坡失穩(wěn)原因主要有：

（1）高邊坡位于斷層附近，山坡較陡，巖體破碎，易形成滲水通道，且自然邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，擾動(dòng)后易失穩(wěn)。

（2）基巖產(chǎn)狀S0：330°∠18°，屬斜交順層坡。地層巖性為上覆6～8 m厚殘坡積含礫粉質(zhì)黏土，下伏強(qiáng)-中風(fēng)化板巖、變質(zhì)泥質(zhì)砂巖。地下水匯集于強(qiáng)風(fēng)化地層內(nèi)，致使強(qiáng)風(fēng)化巖體長(zhǎng)期浸水，巖體發(fā)生軟化，工程地質(zhì)特性變化，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

（3）邊坡開挖后形成20 m的臨空面，且設(shè)計(jì)邊坡較陡，導(dǎo)致上部巖土體失去支撐，施工開挖后坡面支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

結(jié)合地形、地質(zhì)、護(hù)坡特征及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果確定采用“削坡減載+坡體錨固”方案。原來的三級(jí)邊坡變更為五級(jí)，在第二、四級(jí)邊坡施作錨桿間距3 m×3 m的壓力型錨桿（單根錨固力360 kN）錨固防護(hù)。

采用GEO-5軟件分析二維情況下清除部分滑體后的五級(jí)邊坡穩(wěn)定性，考慮主滑方向?yàn)檫吰屡R空面與巖層層面的組合，結(jié)果表明：邊坡進(jìn)行錨固后正常工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.23，gt;1.20，暴雨或持續(xù)降雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)為1.14，gt;1.10，滿足規(guī)范要求。如果錨固力下降至280 kN，則正常工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.21，暴雨或持續(xù)降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.11。

由于錨桿的錨固段處于富水的強(qiáng)風(fēng)化板巖、變質(zhì)泥質(zhì)砂巖層內(nèi)，容易出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，應(yīng)力下降到一定程度后，支護(hù)體系或不能滿足規(guī)范要求，因此設(shè)計(jì)了可重復(fù)張拉的預(yù)應(yīng)力壓力型錨桿。本文通過建立FLAC 3D模型，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)從單根錨桿預(yù)應(yīng)力360 kN下降至280 kN后再張拉至360 kN后，邊坡應(yīng)力與應(yīng)變的變化特征。

2 預(yù)應(yīng)力壓力型錨桿應(yīng)力松弛后再加固的機(jī)理特性

預(yù)應(yīng)力壓力型錨桿的桿體采用高強(qiáng)度螺紋鋼，通過擰緊錨墊板外的高強(qiáng)度螺母施加預(yù)應(yīng)力。如圖1所示，荷載由桿體直接傳遞給錨底結(jié)構(gòu)物（囊袋），由錨底結(jié)構(gòu)物將荷載擠壓至深層巖土體并產(chǎn)生錨桿錨固力。桿體的受力變形主要呈點(diǎn)到點(diǎn)的位移特征（錨頭到錨底結(jié)構(gòu)物），主要由桿體的受力變形產(chǎn)生，因此可以比較準(zhǔn)確地控制錨桿位移。也可以多次通過擰緊高強(qiáng)度螺母施加預(yù)應(yīng)力并張拉錨桿，使錨桿的頂部荷載再次增大，達(dá)到錨桿在應(yīng)力松弛后再加固的目的。

3 邊坡錨固數(shù)值模型的建立

3.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)K58+940段邊坡的典型橫斷面建立FLAC 3D模型，共剖分609 604個(gè)節(jié)點(diǎn)、587 500個(gè)單元。模型材料物理力學(xué)參數(shù)見表1，數(shù)值計(jì)算時(shí)土體屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb（M-C）準(zhǔn)則，壓力型錨桿視為彈性材料，計(jì)算模型尺寸如圖2所示，邊坡坡率為1∶1，坡高10 m。本次計(jì)算模型為邊坡地形，模型整體位移和應(yīng)力不對(duì)稱，采取只切割邊坡所在地形圖建模，邊界條件采用位移邊界條件來控制。

3.2 邊坡應(yīng)力及位移特性分析

3.2.1 邊坡的應(yīng)力特性分析

圖3所示分別為邊坡卸載后的初始應(yīng)力狀態(tài)、錨桿錨固力為360 kN、錨桿錨固力松弛到280 kN、錨桿再次張拉至360 kN后的邊坡X方向的應(yīng)力云圖。如圖3（a）所示，邊坡初始最小應(yīng)力為1.032 3×104 Pa，隨著錨桿的施加逐漸減小為7.682 2×103 Pa。錨桿應(yīng)力松弛后，邊坡土體應(yīng)力增大；隨后錨桿重新張拉，預(yù)應(yīng)力重新恢復(fù)，邊坡土體應(yīng)力又逐漸降低，但未能降低到原錨固力為360 kN時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。邊坡土體在施加錨桿之前，土體自重應(yīng)力分力大于顆粒之間的摩擦力，土體下滑力較大，邊坡土體產(chǎn)生的整個(gè)初始應(yīng)力較大。施加錨桿后，增加了土體顆粒之間的摩擦力，下滑力減小，應(yīng)力降低。

3.2.2 邊坡的位移特性分析

如圖4所示分別為邊坡卸載后的初始變形狀態(tài)、錨桿錨固力為360 kN、錨桿錨固力松弛到280 kN、錨桿再次張拉至360 kN后的方向位移云圖。分析結(jié)果表現(xiàn)出與應(yīng)力變化相同的發(fā)展規(guī)律，即隨著錨固力的增加，邊坡安全系數(shù)增加，塑性變形區(qū)域明顯減?。诲^桿應(yīng)力松弛后，塑性變形增大，邊坡安全系數(shù)降低。錨桿再張拉后，土體變形未能恢復(fù)原有狀態(tài)，連續(xù)均勻的土體介質(zhì)發(fā)生彈塑性變形。在彈性變形階段，內(nèi)力與變形存在著完全對(duì)應(yīng)的關(guān)系，外力消除后變形就完全恢復(fù)。而塑性變形階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系受到加載狀態(tài)、應(yīng)力水平、應(yīng)力歷史與應(yīng)力路徑的影響。塑性變形是不可逆的，可以預(yù)見的是錨桿經(jīng)過多次重復(fù)張拉，降低邊坡應(yīng)力、減小坡體變形，提高邊坡安全系數(shù)的能力將逐漸降低，但在一定使用安全期限內(nèi)，仍可以起到維持邊坡穩(wěn)定的效果。

3.2.3 邊坡的穩(wěn)定性分析

當(dāng)邊坡進(jìn)行錨固后正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.23，gt;1.20，暴雨或持續(xù)降雨工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.14，gt;1.10，滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。而錨桿錨固力降低至280 kN時(shí)，正常工況下、暴雨工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)分別降至1.21、1.11；錨固力增長(zhǎng)至360 kN時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)又恢復(fù)至1.23。這表明，常規(guī)邊坡穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算時(shí)認(rèn)為土體為純彈性介質(zhì)，并未考慮塑性變形。而實(shí)際上，土體屬于彈塑性體，在塑性變形階段，邊坡的變形是不能完全恢復(fù)的。

4 結(jié)語

本文采用FLAC 3D軟件分析了壓力型錨桿在應(yīng)力松弛再張拉后的邊坡應(yīng)力、位移特性，并采用GEO-5軟件分析了邊坡的穩(wěn)定性。得出以下結(jié)論：

（1）[JP4]邊坡的應(yīng)力及位移均隨著錨桿錨固力增加而減小，錨固力越大，邊坡土體應(yīng)力越小，土體變形位移也越小。

（2）常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件忽略了錨桿的應(yīng)力松弛，在運(yùn)營(yíng)管理過程中，錨桿防護(hù)的邊坡也容易失穩(wěn)。同時(shí)，常規(guī)邊坡穩(wěn)定性分析軟件未考慮土體的塑性變形。

（3）在一定使用安全期限內(nèi)可以通過多次施加預(yù)應(yīng)力張拉壓力型錨桿，防止預(yù)應(yīng)力一次性失效，以維持邊坡穩(wěn)定性。

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收稿日期：2024-03-24

作者簡(jiǎn)介：陳 攀（1994—），碩士，工程師，主要從事邊坡穩(wěn)定性研究工作。