馬仁躍 MA Ren-yue；呂帥元 LV Shuai-yuan；劉琪 LIU Qi

（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩 850000）

0 引言

隧道洞口邊坡支護(hù)措施主要有擋土墻、抗滑樁[1，2]和預(yù)應(yīng)力錨索（桿）框架梁等。這些支護(hù)措施都有其優(yōu)勢(shì)與局限，如擋土墻就比較適用于小型邊坡支檔工程，但對(duì)于大型或深層防護(hù)工程起到的作用就相形見(jiàn)絀了；抗滑樁雖適用于大型或深層防護(hù)工程，但其施工難度比較大以及對(duì)經(jīng)濟(jì)的投入成本比較高；其中預(yù)應(yīng)力錨索框架梁[3-5]相比較其他的支護(hù)措施有著適用性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，因此其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代隧道工程，其設(shè)計(jì)理論近年來(lái)雖然有了很大的發(fā)展，但尚未出現(xiàn)完備的理論體系。此外，框架梁、預(yù)應(yīng)力錨索、巖土體的相互作用機(jī)理較為復(fù)雜，對(duì)框架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6，7]只是采用一種近似的計(jì)算方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁這種支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制、巖土體在支護(hù)下變形方式都沒(méi)有確切的理論支持。2015 年馬洪生[8-10]在文獻(xiàn)[8]中以剛性梁、長(zhǎng)梁法和初參數(shù)法進(jìn)行對(duì)錨索框架梁內(nèi)力計(jì)算，然后把各種參數(shù)代入計(jì)算出在不同情況下的彎矩，地基反力以此來(lái)進(jìn)行了參數(shù)影響研究；2010 年邵勇[11]在文獻(xiàn)[11]中通過(guò)FLAC 3D 軟件模擬分析出不同參數(shù)下的框架梁彎矩變化與錨索軸力分布，最后分析出最優(yōu)的錨固參數(shù)組。以往學(xué)者很少有對(duì)隧道洞口邊坡預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)情況下進(jìn)行單因素變量分析不同參數(shù)下的坡面位移變化。基于上述原因，本文擬采用隧道洞口邊坡工程實(shí)例，利用FLAC-3D[12，13]軟件來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力錨框架梁結(jié)構(gòu)，研究不同錨固力、錨固角度和錨固間距對(duì)支護(hù)效果的影響。

1 工程概況

某隧道2 號(hào)洞口邊坡，覆蓋層的土質(zhì)為第四系殘破積粉質(zhì)土，其主要成分為片麻巖，本隧道洞口邊坡所處區(qū)域的巖石破碎后呈碎石狀。邊坡高度為21～49m，邊坡以開(kāi)挖為主，設(shè)置開(kāi)挖臺(tái)階的方式為每7m 一個(gè)臺(tái)階，共設(shè)置7階。隧道洞口邊坡區(qū)域巖石破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，但滑動(dòng)面有相對(duì)穩(wěn)定的巖層，因此用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁設(shè)置坡面支護(hù)，錨索框架梁覆蓋面積約為4200m2。邊坡開(kāi)挖坡率[14，15]為1∶0.75～1，預(yù)應(yīng)力錨框架梁坡率布置應(yīng)按照邊坡的坡率來(lái)布置，框架梁分級(jí)布置。預(yù)應(yīng)力錨索框架梁具體布置信息見(jiàn)表1。

表1 預(yù)應(yīng)力錨框架梁布置信息

2 模擬力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型的選取及邊界條件的設(shè)定

2.1 模擬力學(xué)參數(shù)

文章沒(méi)有對(duì)山巖做物理力學(xué)試驗(yàn)，因此沒(méi)有確切的力學(xué)數(shù)據(jù)，本文研究是一般規(guī)律，因此根據(jù)隧道區(qū)域圍巖分類(lèi)，可以選擇相應(yīng)圍巖等級(jí)[16]的巖石力學(xué)參數(shù)作為數(shù)值模擬中相應(yīng)的巖土體參數(shù)最終的參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 邊坡巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 本構(gòu)模型的選取

錨索框架梁支護(hù)模擬分析重視屈服準(zhǔn)則、強(qiáng)度參數(shù)，本構(gòu)模型的選取相對(duì)不重要，摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型在其三維空間內(nèi)有不可導(dǎo)的尖點(diǎn)，這樣就會(huì)在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中遇到一定困難或疑惑，所以本文中采用德魯克一普拉格本構(gòu)模型即D-P 準(zhǔn)則，修改Mohr-Coulomb 屈服面，沒(méi)有尖點(diǎn)，更容易收斂。

2.3 邊界條件的設(shè)定

除了邊坡高度方向z 方向?yàn)樽杂煞较蛲?，所有模型其他方向邊界都被綁定?/p>

3 不同錨固力下錨索框架梁模擬計(jì)算與分析

不同錨固力下通過(guò)FLAC 3D 模擬軟件選擇實(shí)際隧道洞口邊坡工程中合理錨固力參數(shù)進(jìn)行單因素變量分析，最終模擬計(jì)算分析得出在不同錨固力下的坡面位移云圖，通過(guò)觀(guān)察各方向位移圖的變化趨勢(shì)來(lái)分析得出最優(yōu)的支護(hù)錨固力參數(shù)。

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)地調(diào)查和測(cè)量分析，隧道洞口邊坡模型高度可以取H=70m。通過(guò)FLAC 3D 軟件把模型劃分38454 個(gè)網(wǎng)格、共有39657 個(gè)連接點(diǎn)。其它參數(shù)和錨索布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 隧道洞口邊坡模型示意圖

圖2 錨索與框架梁布置圖

圖3 錨索布置示意圖

3.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

模型的X 軸垂直于Y 軸方向，右側(cè)為正方向。Y 軸是邊坡體方向，內(nèi)部是正數(shù)。Z 軸表示與XY 軸平面垂直的山的高度，頂部為正數(shù)。除了邊坡高度方向z 方向?yàn)樽杂煞较蛲猓心Ｐ投急唤壎?。此模擬使用D-P 準(zhǔn)則。

在FLAC 3D 數(shù)值模擬中，由錨索末端、自由段和錨固段指定的參數(shù)根據(jù)該段的功能和設(shè)置而有不同的參數(shù)設(shè)置。錨索端參數(shù)通常設(shè)置為無(wú)窮大，以防止施加預(yù)應(yīng)力時(shí)錨索端滑動(dòng)。

預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的設(shè)置信息如表1 所示，模型力學(xué)參數(shù)取表2 中的參數(shù)，錨索框架梁計(jì)算參數(shù)如表3、表4所示。

表3 錨索計(jì)算參數(shù)

表4 框架梁計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

在錨索框架梁加固的邊坡中分別取預(yù)應(yīng)力為400kN、600kN、800kN、1000kN 四種不同情況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 邊坡加固各錨固力下位移圖

分析圖4 可知：

①錨固力的增加可以密切連接邊坡巖層，大大降低邊坡體的下降度，但如果預(yù)應(yīng)力過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生相反的效果。

②在各錨力下的Z 方向位移云圖中，模型坡面頂部的部分位移向上移動(dòng)，這意味著隨著錨固力的增加，坡面的壓縮量也會(huì)增加，邊坡頂部部位形成擠壓，邊坡頂部位移向上移動(dòng)的情況下，坡腳有一定向上趨勢(shì)，隨著錨固力的增加，位移逐漸增加，山內(nèi)位移大的地方隨著錨索的錨固力的增加，繼續(xù)向坡面延伸。

③在各錨固力下的Y 向位移云圖中，隨著錨固力的增加Y 向最大位移也隨之增加，坡腳也有一定向上移動(dòng)的趨勢(shì)。

④當(dāng)錨力為1000kN 時(shí)，可以清楚地看到大位移云圖延伸到斜坡上，這表明錨固力的增加分擔(dān)了山的部分重量，但提高了坡面破壞的概率。

由圖4 可知，邊坡加固后坡面位移明顯得到了有效的控制，且隨著錨固力的增強(qiáng)坡面的壓縮量與下滑情況都有明顯的改變，各位移情況如表5 所示。

表5 坡面位移

由以上位移云圖和表5 可知，當(dāng)錨固力為600kN 和800kN 時(shí)Z 向位移幾乎相同，但隨著錨固力的增加，Y 向位移有明顯的增大，當(dāng)錨固力大到一定程度時(shí)Y 向位移就會(huì)很大，這樣坡面就會(huì)發(fā)生破壞。因此，經(jīng)綜合分析得出當(dāng)錨固力為600kN 時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的支護(hù)效果最佳。

錨固力為1000kN 時(shí)的塑性云圖如圖5 所示。

圖5 1000kN 錨固力塑性區(qū)

分析圖5 可知：塑性區(qū)云圖可以反映巖體的破壞程度，當(dāng)錨固力為1000kN 時(shí)整體坡面發(fā)生了剪切應(yīng)力破壞，此時(shí)坡度可以主動(dòng)破壞，產(chǎn)生相反的效果。

4 不同錨固角下錨索框架梁模擬計(jì)算與分析

本節(jié)取圖1 中的計(jì)算模型，預(yù)應(yīng)力取600kN，將錨固角度分別設(shè)定為10°、20°、30°。依然通過(guò)FLAC 3D 進(jìn)行單因素變量模擬分析其支護(hù)效果，本構(gòu)模型依然選取D-P準(zhǔn)則，模型的計(jì)算參數(shù)參考表3 與表4。最終的各錨固角示意圖如圖6 所示。

圖6 各錨固角示意圖

各錨固角下模擬結(jié)果如圖7～圖9 所示。

圖7 錨固角10°位移圖

圖8 錨固角20°位移圖

圖9 錨固角30°位移圖

對(duì)比分析圖7～圖9 可知：

①隨著錨固角度的增大，坡面壓縮量在減小，由此可得出錨固角度增大錨索框架梁的支護(hù)效果在減弱。

②隨著錨固角度的增大，Y 向位移在減小。錨固角度為10°時(shí)Z 向位移為正，錨固角度為20°和30°時(shí)Z 向位移為負(fù)，但位移由小到大再到小，由此可得20°為位移轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這反映了錨固角度為20°時(shí)，錨索框架梁的支護(hù)效果最佳。

③從整體位移云圖中可以看出當(dāng)錨固角度為30°時(shí)邊坡下滑的趨勢(shì)比較明顯。由此也證明了錨固角度為20°時(shí)，錨索框架梁支護(hù)效果最佳。

表6 是錨固角為10°、20°、30°時(shí)邊坡整體、Z 方向、Y方向的位移值。

表6 坡面位移值

結(jié)合各錨固角度下的位移云圖和表6 可分析得出，錨固角度為20°時(shí)，錨索框架梁的支護(hù)效果最佳。

5 不同錨固間距下錨索框架梁的模擬計(jì)算與分析

本節(jié)依然取圖1 中的計(jì)算模型，預(yù)應(yīng)力取600kN，錨固角取20°。將錨索間距分別設(shè)定為2m、3m、4m，同上通過(guò)FLAC 3D 采取單因素變量模擬分析其支護(hù)效果，本構(gòu)模型依然選取D-P 準(zhǔn)則，模型的計(jì)算參數(shù)參考表3 與表4。最終的各錨索間距示意圖如圖10 所示。

圖10 各錨固間距示意圖

各錨固間距下模擬結(jié)果如圖11～圖13 所示。

圖11 2m 錨固間距位移圖

圖12 3m 錨固間距位移圖

圖13 4m 錨固間距位移圖

對(duì)比分析圖11～圖13 可知：

①隨著錨固間距增大，坡面壓縮量在減小。

②Y 向位移為負(fù)，隨著錨固間距的增大，Y 向位移在減小。

③隨著錨固間距的增大，Z 向位移在減小。

④從整體位移圖中可以看出，隨著錨固間距的增大，坡面位移范圍在減小。

錨固間距2m、3m、4m 時(shí)各錨索間距坡面位移值見(jiàn)表7。

表7 坡面位移值

由計(jì)算分析得出隨著錨索間距的增大，錨索框架梁的橫、縱梁彎矩值也隨之增大。錨索間距為2m 時(shí)，橫、縱梁彎矩值較大，其位移值也較大，這樣可能會(huì)導(dǎo)致錨索間相互影響較大，從而無(wú)法發(fā)揮較好的支護(hù)效果。錨索間距為4m 時(shí)，錨索軸力為最大，Z 向、Y 向位移最小，由此可得錨索間距為4m 時(shí)支護(hù)效果最好。

6 結(jié)果與討論

①文章在理論設(shè)計(jì)計(jì)算優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，只對(duì)在不同支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)下利用FLAC 3D 軟件進(jìn)行單因素變量模擬分析，而沒(méi)有考慮三種支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合情況。于是在假定每個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)都是相互獨(dú)立的情況下模擬分析得出錨固力、錨固角度和錨固間距分別為600kN、20°、4m 時(shí)，邊坡的支護(hù)效果最好。且在預(yù)應(yīng)力錨索框架梁中因素影響程度為錨索間距大于錨固力和錨固角。②以往學(xué)者大多數(shù)都是對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，很少進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索框架梁在隧道洞口邊坡支護(hù)方面的研究。即便有不少學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，他們有很多是以經(jīng)濟(jì)造價(jià)為支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，也有許多學(xué)者只是通過(guò)計(jì)算錨索框架梁內(nèi)力和觀(guān)察錨索框架梁變形特征來(lái)分析得出最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)組，但沒(méi)有與實(shí)際隧道洞口邊坡結(jié)合起來(lái)。文章把預(yù)應(yīng)力錨索框架梁應(yīng)用到實(shí)際隧道洞口邊坡上，這樣分析得出的最優(yōu)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)組會(huì)變得更加實(shí)用。③由于錨固力增加、錨固角度減小、錨索間距減小、邊坡壓縮量會(huì)增加、但預(yù)應(yīng)力增加，坡面會(huì)被主動(dòng)破壞，錨固角度減小和錨索間距減小又會(huì)導(dǎo)致不符合支護(hù)要求，因此可以在邊坡支護(hù)中適當(dāng)更改相應(yīng)的參數(shù)值，達(dá)到抑制邊坡變形的效果。