壓力分散型錨索加固高邊坡機(jī)理研究——以靈石石膏山水庫(kù)左壩肩高邊坡為例

連幼奇

（山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600）

錨固是一種常用的支護(hù)措施，在基坑[1]、地下洞室[2]、邊坡[3]加固中應(yīng)用廣泛。王光勇等[4]結(jié)合數(shù)值模擬和相似試驗(yàn)，對(duì)巖體裂隙傾角和長(zhǎng)度對(duì)錨固洞室損傷和變形進(jìn)行了研究，隨著裂隙傾角增大，損傷區(qū)域面積先增大后減小。何棟梁等[5]采用顆粒流數(shù)值模擬分析錨固節(jié)理破壞模式，認(rèn)為錨固角度較大時(shí)，錨固與節(jié)理接觸面會(huì)發(fā)生明顯的核破壞，隨著錨固角度的增大，峰值剪切應(yīng)力先增大后減小。蘭奕文等[6]針對(duì)煤巷變形控制難，綜合多種方法，研究了巷道變形特征，提出頂板全錨索控制系統(tǒng)。陳家昊等[7]研究了密實(shí)型索體預(yù)應(yīng)力錨索的錨固機(jī)理，結(jié)果表明：荷載作用擠壓注漿體時(shí)最大剪應(yīng)力位于錨固段最末端，其數(shù)值隨著荷載的增加而增大。文章結(jié)合靈石石膏山水庫(kù)左壩肩高邊坡工程特點(diǎn)，研究壓力分散型錨桿加固高邊坡的機(jī)理。

1 工程概況

石膏山水庫(kù)位于晉中市靈石縣，屬于仁義河流域。壩型采用混凝土拱壩，最大壩高68 m，壩頂長(zhǎng)度169 m，屬小型水庫(kù)。左壩肩壩頂上為開(kāi)挖邊坡，坡高60.0 m，坡度70°—80°。邊坡后緣發(fā)育多條拉張裂隙，巖體極為破碎，邊坡穩(wěn)定性較差。

2 壓力分散型錨索加固機(jī)理分析

根據(jù)受力狀態(tài)，錨索可分為壓力型和拉力型。一般情況下，壓力型錨索錨固段剛束與承載體直接連接，壓力型錨索荷載通過(guò)剛束傳遞將直接作用在承載體上，壓力型錨索荷載傳遞可以看做是從下向上傳遞。壓力型錨索結(jié)果見(jiàn)圖1。影響壓力型錨索的主要因素是錨固段漿液的強(qiáng)度。當(dāng)壓力型錨索承載力達(dá)到一定程度時(shí)，內(nèi)部承載體將發(fā)生變形破壞，一般多發(fā)生于承載體上部應(yīng)力集中段，壓力型錨索應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。應(yīng)力集中位于承載體，向孔口方向應(yīng)力逐漸降低，承載體位于強(qiáng)度較高的巖體中時(shí)，壓力型錨索承載力將大于拉力型錨索，因此，在強(qiáng)度較高的巖體加固工程中，壓力型錨索較為適用。

圖1 壓力型錨索

壓力型錨索應(yīng)力分布較為集中，這對(duì)其承載力有較大的影響。采用荷載分散型錨索可分散壓力型錨索錨固段的應(yīng)力，避免應(yīng)力集中造成承載體局部破壞，從而造成錨索失效。壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。錨固段應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖4，從圖中可知錨固段應(yīng)力分布較為均勻，與圖2 相比，避免了荷載集中造成錨索失效現(xiàn)象的出現(xiàn)，大大提高了錨固力。

3 石膏山水庫(kù)左壩肩高邊坡治理效果

3.1 邊坡地質(zhì)情況

圖3 壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)

圖4 壓力分散型錨索錨固段應(yīng)力分布

大壩左岸為凸出山梁，高程約為1 160 m，壩頂以上部位山脊寬度在70.0 m 左右。左壩肩開(kāi)挖后，最大坡高為60.0 m，邊坡巖體主要為花崗巖、片麻巖，邊坡巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，承載力較低。根據(jù)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，石膏山組第二巖組（ATs-2）巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度49.1～97.0 MPa，飽和變形模量（3.30 ～6.02）×104MPa，泊松比0.14～0.22，飽和抗剪斷強(qiáng)度C 為0.67～4.9 MPa，內(nèi)摩擦角為43.9～47.5°。

由于左壩肩邊坡開(kāi)挖后形成坡度較大的人工邊坡，邊坡巖體內(nèi)部存在強(qiáng)度較低的破碎片麻巖等，提出采用壓力分散型錨索進(jìn)行錨固處理。

圖5 邊坡概況

3.2 壓力分散型錨索設(shè)計(jì)分析

采用條分法確定下滑力，計(jì)算公式如下，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

式中：Wi——第i 塊滑動(dòng)條塊側(cè)面的推力傳遞系數(shù)；

Ri——第i 塊滑動(dòng)條塊側(cè)面的推力傳遞系數(shù)；

Ti——第i 塊滑動(dòng)條塊側(cè)面的推力傳遞系數(shù)；

ψi——第i 塊滑動(dòng)條塊側(cè)面的推力傳遞系數(shù)；

C——滑動(dòng)帶巖的凝聚力，kPa；

θ——滑動(dòng)帶巖的內(nèi)摩擦角，°；

αi——第i 塊滑動(dòng)條塊滑動(dòng)面的傾斜角，°；

Li——第i 塊滑動(dòng)條塊滑動(dòng)面的長(zhǎng)度，m。

表1 計(jì)算參數(shù)

通過(guò)計(jì)算下滑力F 為3 500 kN，則錨固力采用下式計(jì)算：

式中：P——設(shè)計(jì)錨固力；

φ——滑面內(nèi)摩擦角，18.5°；

a——錨索、滑面相交處滑面傾角（40°、70°）；

β——錨固角，15°。

預(yù)應(yīng)力錨索是群錨機(jī)制，根據(jù)張拉試驗(yàn)，錨索間距小于1.2 m 時(shí)，會(huì)影響錨孔周?chē)鷰r土，因此，設(shè)計(jì)錨索間排距為3 m。根據(jù)剖面工程情況，最大開(kāi)挖斷面坡長(zhǎng)41 m，可布14 排錨索，則單孔錨索設(shè)計(jì)錨固力為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)錨固力為750 kN。錨索鋼絞線采用中φ15.2 mm，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，每根極限張拉荷載為259 kN，每孔錨索根數(shù)計(jì)算如下：

式中：Fs——安全系數(shù)，取1.8；

Pu——鋼材極限張拉荷載。

通過(guò)計(jì)算，n=5.21，設(shè)計(jì)采用6 根。錨固段長(zhǎng)度采用下式計(jì)算：

式中：Fs2——抗拔安全系數(shù)，取2.5；

dh——鉆孔直徑，取0.13 m；

τ——毛孔壁對(duì)砂漿極限剪應(yīng)力，取1 200 KPa。

計(jì)算錨固段長(zhǎng)度為3.83 m，結(jié)合破碎帶的局部變化，為了保證錨索的可靠性，在一定程度上對(duì)錨固段進(jìn)行加長(zhǎng)，最終確定錨固段長(zhǎng)度為9.0 m，自由段平均長(zhǎng)度約29 m。

3.3 壓力分散型錨索加固效果分析

數(shù)值模擬采用FLAC3D 軟件，該軟件由Itasca 公司開(kāi)發(fā)，在巖土工程數(shù)值模擬分析中較為常用。FLAC軟件最明顯的特征是節(jié)點(diǎn)位移是連續(xù)的，對(duì)巖土體非線性變形的分析結(jié)果較為可靠。

根據(jù)邊坡地質(zhì)情況建立FLAC 數(shù)值模擬模型，分析支護(hù)前后邊坡的穩(wěn)定性情況及位移量。數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖6。從上至下依次布置A～N，共14 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)邊坡的變形情況。數(shù)值模擬模擬天然工況下的邊坡穩(wěn)定性情況，模型底部及兩側(cè)為固定邊界，邊坡部位為自由邊界條件，在建模過(guò)程中，劃分網(wǎng)格大小為0.5 m，計(jì)算控制方程采用摩爾—庫(kù)倫模型。

圖6 數(shù)值模擬模型

邊坡開(kāi)挖后位移云圖見(jiàn)圖7，從圖中可知未采取治理措施，邊坡位移較大，最大值可達(dá)30.6 cm，邊坡剪應(yīng)力主要集中于后緣拉張裂隙與坡腳處，雖然治理前邊坡并未產(chǎn)生貫通的破壞面發(fā)生整體破壞，但局部的應(yīng)力集中表明坡體內(nèi)部存在潛在的破壞面，在后期的降水、重力、地震等因素綜合作用下，巖體極易沿著潛在破壞面的滑動(dòng)或者傾倒破壞，從而威脅到坡體下方構(gòu)筑體的正常使用。

封填后緣拉張裂隙并采用錨索支護(hù)后的位移云圖見(jiàn)圖8，從圖中可知，加固后邊坡變形量明顯減小，最大變形量為4.23 cm 這表明采用壓力分散型錨索可以較好地控制該邊坡的變形。

圖7 開(kāi)挖后位移云圖

圖8 加固后位移云圖

加固前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變形監(jiān)測(cè)量見(jiàn)表1。從表1 可知，加固前后最大位移均發(fā)生在坡頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處，加固前各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量在16.5～30.6 cm 之間，加固后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移范圍在3.08～4.23 cm 之間，加固后坡體變形處于相對(duì)協(xié)調(diào)的狀態(tài)，避免了位移變形不協(xié)調(diào)從而誘發(fā)斜坡破壞的現(xiàn)象。

表1 加固前后位移量對(duì)比 單位：cm

4 結(jié)論

錨固在邊坡加固中較為常用，采用壓力分散型錨索可在相同的地質(zhì)條件下提供更大的錨固力，從而滿足邊坡加固要求。結(jié)合石膏山水庫(kù)高邊坡，通過(guò)計(jì)算確定錨索加固方案，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比，加固后邊坡位移明顯減少，表明錨索具備較好的控制邊坡位移的效果，且加固后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移差值也明顯降低，表明邊坡變形屬于協(xié)調(diào)狀態(tài)，可避免變形量差值較大造成邊坡局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。