摘要：文章采用極限平衡法，研究了錨桿長度、水平傾角和間距等設(shè)計參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，可為類似工程提供參考。研究表明：采用錨桿加固有效改善了邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)錨桿足夠長時，其全部發(fā)揮設(shè)計拉力對應(yīng)淺層滑面的安全系數(shù)，比錨桿未完全發(fā)揮作用時的深層滑面更??；水平傾角增大時，上部滑面安全系數(shù)一直減小，下部滑面安全系數(shù)先增后減，滑動范圍呈現(xiàn)減小趨勢；錨桿間距減小時，安全系數(shù)減小且滑動范圍也減小，當(dāng)間距gt;3 m后，所有錨桿均達(dá)到設(shè)計的抗拉強(qiáng)度，錨固段偏長，說明仍存在一定的優(yōu)化空間。

關(guān)鍵詞：公路；邊坡；錨桿；極限平衡法；穩(wěn)定性分析

U417.1+16A110344

0 引言

受施工活動、運(yùn)營期荷載及環(huán)境復(fù)雜變化等多種因素影響，公路沿線古滑坡體面臨滑動風(fēng)險，為提高其穩(wěn)定性，需對其進(jìn)行加固防護(hù)［1-3］。邊坡治理需兼顧正確認(rèn)識、預(yù)防為主、一次根治、經(jīng)濟(jì)合理和維護(hù)保養(yǎng)五項原則［4］，并在治理中注意“排、減、固、擋”四個方面。廣西某高速公路邊坡所在地沿線為高速公路建設(shè)重點區(qū)域，存在大量開挖形成的邊坡臨空面，在治理中需著重考慮［5］。對于采用錨桿加固的邊坡，應(yīng)考慮錨桿結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)、布置形式等的影響，綜合考慮并擇優(yōu)選擇其設(shè)計方案［6-8］。本文基于該邊坡開展分析，采用極限平衡法計算其安全系數(shù)，并分析錨桿長度、水平傾角和間距對穩(wěn)定性的影響，為類似工程提供參考。

1 邊坡概況

該高速公路項目地處廣西中部大瑤山主體山脈，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，季節(jié)性變化明顯，具有顯著的亞熱帶山區(qū)氣候特點，陰雨天多、日照少、濕度大，夏季濕潤多雨，冬季干冷少雨?；驴辈靺^(qū)屬多雨氣候，年均降雨量遠(yuǎn)大于蒸發(fā)量，利于大氣降水下滲形成地下水聚集。在開挖、高填等因素綜合作用下，容易誘發(fā)古滑坡復(fù)活。地質(zhì)調(diào)查及鉆探結(jié)果表明，所研究邊坡場地主要由第四系（Q4）、滑坡堆積層（Ddel～Qde1）及泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D11）地層組成。現(xiàn)場采集的滑帶土主要為粉質(zhì)黏土夾礫石，局部為粉質(zhì)黏土，灰褐色或灰黃色，礫石粒徑為1～3 cm，厚1.80～9.30 m。

本文根據(jù)邊坡特征及地質(zhì)條件，選取左側(cè)高81 m，右側(cè)高30 m，水平寬度為180 m的截面進(jìn)行分析，兩級邊坡臺階的坡率約為1∶1.5，如圖1所示。截面由底部基巖、滑帶和滑體三部分組成，按沿地表從上到下順序依次為滑體、滑帶、滑體、滑帶、滑體和底部基巖。邊坡存在兩條滑帶，外露處位于兩級臺階坡腳附近，后續(xù)將計算上部滑面和下部滑面兩個滑動面，前者表征邊坡的局部穩(wěn)定性，后者表征邊坡的整體穩(wěn)定性。為簡化計算，基巖參數(shù)按中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖取值，滑體參數(shù)按滑體土進(jìn)行取值，滑帶參數(shù)按干密度為1.20 g/cm3、飽和度為45%的滑帶土進(jìn)行取值。

2 分析方法及參數(shù)

本文采用極限平衡法對錨桿加固邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，而條分法是極限平衡法的主要應(yīng)用方式，該法基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則分析土條的靜力平衡，將邊坡穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為剛體平衡問題進(jìn)行研究。計算時將滑動面和土條均視為剛體，并認(rèn)為所有土條安全系數(shù)相同，即同時進(jìn)入極限平衡狀態(tài)。在計算前需預(yù)設(shè)滑動面形式，土質(zhì)邊坡一般為圓弧或直線、折線形式，巖質(zhì)邊坡一般假設(shè)由節(jié)理組合面構(gòu)成。針對條間力的假設(shè)，主要選用Morgenstern-Price法對邊坡穩(wěn)定性開展計算。

穩(wěn)定性分析所用土層參數(shù)取值如表1所示，滑帶土內(nèi)摩擦角取為24.1°，粘聚力取為8.3 kPa，為簡化計算，兩者的飽和滲透系數(shù)均按地勘成果取為4×10-7 m/s。計算中錨桿的相關(guān)參數(shù)如下頁表2所示，錨桿的錨固粘結(jié)段可承擔(dān)部分剪切力，但在邊坡穩(wěn)定性分析中，錨桿主要作為拉壓構(gòu)件進(jìn)行計算，較少考慮錨桿的抗剪強(qiáng)度。達(dá)到設(shè)計抗拉強(qiáng)度約需8.5 m的錨固段，10 m的粘結(jié)長度能滿足要求。兩級邊坡臺階各均勻布置4排錨桿，邊坡上部再布置1排錨桿，合計9排錨桿，基于此進(jìn)一步分析錨桿長度、水平傾角和間距對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 無錨桿加固的邊坡穩(wěn)定性分析

對邊坡在無錨固條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，通過計算所得滑動面如圖2所示，邊坡表現(xiàn)出淺層破壞形式，滑帶土在上、下部滑面中占約1/3區(qū)域，對邊坡穩(wěn)定性影響較大。上部滑面對應(yīng)安全系數(shù)為1.341，下部滑面對應(yīng)安全系數(shù)為1.229。根據(jù)一級邊坡標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)需要達(dá)到1.25～1.35，故下部滑面未達(dá)到要求。

3.2 錨桿加固后邊坡穩(wěn)定性分析

對于錨桿加固后的邊坡穩(wěn)定性分析，本文針對錨桿長度、水平傾角和間距三個因素，考慮其對穩(wěn)定性的影響進(jìn)行計算。

3.2.1 錨桿長度的影響

在分析錨桿長度對安全系數(shù)的影響時，將水平傾角設(shè)置為30°，間距設(shè)置為2 m，選取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m和45 m六種長度進(jìn)行計算，得到安全系數(shù)與錨桿長度的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，上部滑面在20 m長錨桿加固作用下，安全系數(shù)從1.341提高到1.715，增幅約27.9%，在錨桿長度從20 m增加到30 m過程中，安全系數(shù)增大，當(dāng)長度超過30 m后，保持在1.95，此時增幅約為45.4%；下面滑面在20 m長錨桿作用下安全系數(shù)為1.389，相比不支護(hù)時增大13.0%，并隨著錨桿長度增加而提高，在長度35 m時為1.592，之后略微上升到1.605并保持不變，此時增幅達(dá)到30.6%。

計算得到的上部及下部滑動面如圖4和圖5所示。圖中深色長方體包含的長度為該滑動模式下錨桿的有效錨固長度，若有效錨固長度達(dá)到設(shè)計值，則錨桿達(dá)到設(shè)計抗拉強(qiáng)度。若有效錨固長度低于設(shè)計值，則表示在該滑動模式下難以發(fā)揮到設(shè)計抗拉強(qiáng)度的拉力，故將根據(jù)實際有效長度對穩(wěn)定性計算中錨桿提供的拉力進(jìn)行折減。若錨桿在滑動面內(nèi)，那么錨桿在該滑動模式下不起作用，但這不代表錨桿未起到加固作用，正是由于在相對淺層的滑面中，錨桿的拉力有效增大了安全系數(shù)，使邊坡滑動模式向錨桿發(fā)揮作用較小的深層滑面轉(zhuǎn)變，但深層滑面的安全系數(shù)仍比原有滑面更大。

由圖4可知，在錨桿長度從20 m增加到25 m過程中，上部滑面的滑坡后緣向左側(cè)移動，滑動范圍增大，大部分錨桿未達(dá)到設(shè)計拉力。當(dāng)錨桿長度gt;30 m后，滑動面不再改變，表現(xiàn)為錨桿完全達(dá)到設(shè)計拉力的淺層破壞模式。這表明當(dāng)錨桿足夠長時，其全部發(fā)揮設(shè)計拉力對應(yīng)淺層滑面的安全系數(shù)，比錨桿未完全發(fā)揮作用時的深層滑面更小，這就是圖3中上部滑面安全系數(shù)在錨桿長度超過30 m后保持不變的原因。由上頁圖5可知，下部滑面也表現(xiàn)出類似規(guī)律，當(dāng)錨桿長度為20～35 m時，滑動面范圍保持增大趨勢，安全系數(shù)也不斷提高，中部邊坡臺階的四根錨桿在對應(yīng)大范圍滑面下難以達(dá)到設(shè)計拉力的加固效果；當(dāng)長度gt;40 m后，滑動面轉(zhuǎn)為錨桿完全達(dá)到設(shè)計拉力的淺層滑面，安全系數(shù)也保持不變。

3.2.2 錨桿水平傾角的影響

將錨桿長度取為35 m，間距設(shè)置為2 m，計算20°、30°、40°、50°和60°五種水平傾角條件下，邊坡安全系數(shù)與錨桿水平傾角的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，上部滑面的安全系數(shù)隨傾角的增大而減小，從20°時的1.966降低到60°時的1.736，且降低速度不斷增大；下部滑面安全系數(shù)隨錨桿傾角增大先增后減，30°為錨桿的優(yōu)化錨固角，在該水平傾角下安全系數(shù)達(dá)到最大值1.592，之后表現(xiàn)出與上部滑面相似的下降趨勢，在傾角60°時下降為1.458，降幅為8.4%。

水平傾角變化中的上部及下部滑動面如圖7、圖8所示，傾角30°時的滑面如圖4（c）、圖5（d）所示。對于上部滑面，隨著傾角增加，滑動面整體呈現(xiàn)范圍減小、向淺層滑動發(fā)展的趨勢，在傾角60°時與不加固時的形態(tài)類似。除傾角為20°的工況外，其余傾角的錨桿均能夠達(dá)到設(shè)計抗拉強(qiáng)度，由圖7（b）、（c）、（d）可知，錨桿拉力在垂直滑面阻滑方向的分量隨傾角增加不斷減小，從而導(dǎo)致圖6上部滑面安全系數(shù)加速下降。由圖8可知，下部滑面變化趨勢略有區(qū)別，當(dāng)傾角從20°增大到30°時，滑坡后緣略有后移，范圍有所增大；傾角達(dá)到40°時，滑坡后緣前移，滑動面減小，所有錨桿發(fā)揮作用達(dá)到設(shè)計拉力，之后滑動模式轉(zhuǎn)向淺層滑動，整體滑動范圍保持減小趨勢，阻滑方向的錨桿拉力分量在傾角gt;30°后同樣呈現(xiàn)下降狀態(tài)。

3.2.3 錨桿間距的影響

與分析錨桿長度、水平傾角時的思路相同，采取控制變量法分析錨桿間距對安全系數(shù)的作用。將水平傾角設(shè)為30°，長度設(shè)為35 m，在2 m、3 m、4 m、5 m和6 m五種間距條件下的計算結(jié)果如圖9所示。在間距從2 m提高到6 m的過程中，上部和下部滑面的安全系數(shù)均有所降低，上部滑面降低幅度相對較大，達(dá)到19.8%，曲線非線性特征明顯，而下部滑面降幅為14.7%，表現(xiàn)出近似線性減小的趨勢。

錨桿間距分別為3 m、4 m、5 m、6 m對應(yīng)的滑面如圖10、圖11所示，間距為2 m時的滑面如圖4（c）、圖5（d）所示。隨著間距的增加，上部及下部滑面范圍均減小，偏向于淺層滑動，下部滑面在錨桿間距gt;3 m后，最危險滑動面的滑坡前緣大部分位于滑帶中，和加固前的滑動面類似，上部滑面在間距gt;5 m后也出現(xiàn)類似現(xiàn)象。同時，當(dāng)間距gt;3 m后，所有錨桿均達(dá)到設(shè)計的抗拉強(qiáng)度，錨固段偏長。

4 結(jié)語

（1）采用錨桿加固有效改善了邊坡的穩(wěn)定性，改變錨桿長度、水平傾角和間距均會對邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)及滑動范圍產(chǎn)生影響。

（2）當(dāng)錨桿足夠長時，其全部發(fā)揮設(shè)計拉力對應(yīng)淺層滑面的安全系數(shù)，比錨桿未完全發(fā)揮作用時的深層滑面更小。

（3）水平傾角增大時，上部滑面安全系數(shù)一直減小，下部滑面安全系數(shù)先增后減，滑動范圍呈現(xiàn)減小趨勢。錨桿間距減小時，安全系數(shù)減小且滑動范圍也減小，當(dāng)間距gt;3 m后，所有錨桿均達(dá)到設(shè)計的抗拉強(qiáng)度，錨固段偏長，說明仍存在一定的優(yōu)化空間。

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