不同框架錨桿布置方式對(duì)加固邊坡效果影響分析研究

譚玉強(qiáng)，姬同旭，安邦超

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引言

2 框架錨桿布置方式

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將框架錨桿的布置方式分為俯斜式、水平式和仰斜式三類。三種布置方式如圖1所示。三種錨桿的布置方式，錨桿的起點(diǎn)一致，因此三種布置方式的框架梁布置方式是一樣的。考慮到工程實(shí)際，本文將仰斜式框架錨桿的第一排的錨桿傾斜角度設(shè)為7°。

圖1 錨桿布置方式

Fig.1 Lay-out mode of bolt

3 模型建立與參數(shù)確定

本文采用數(shù)值模擬的方法，在相同框架面積、相同工程量、相同框架界面的條件下開展不同框架錨桿的布置方式下的加固效果對(duì)比分析研究。其中錨桿的錨固段長(zhǎng)度均為5 m?？蚣芰旱牟贾梅绞郊氨O(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖3所示，黑色實(shí)心原點(diǎn)為錨桿頭部，A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的坡腳點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。框架為2 m×2 m。假定邊坡為巖性較為均勻的土質(zhì)邊坡，模型長(zhǎng)32 m、高15 m、寬9 m，共計(jì)18 110個(gè)單元，模型如圖3所示。巖土體參數(shù)如表1所示，框架梁結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2，錨桿結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

圖2 框架梁及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

Fig.2 Arrangement of frame beam and check points

圖3 邊坡模型圖

表1 巖土體參數(shù)

表2 框架梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 錨桿結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié)果分析

為分析不同下滑推力下兩種錨固方式的加固效果，本文選擇在滑體上部依次施加0 kPa、12 kPa、15 kPa、18 kPa、21 kPa、24 kPa、27 kPa、30 kPa、33 kpa的荷載。根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇從監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向位移、錨索最大軸向應(yīng)力、框架梁最大應(yīng)力(FZ)及框架梁最大彎矩(MZ)四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向位移

從圖4、5可以看出，隨著上部荷載的增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平向位移也逐步增大，且三種布置方式監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平向位移增大趨勢(shì)基本相同。當(dāng)采用俯斜式布置方式時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向位移隨上部荷載變化，其位移增大速率較其他兩種方式大，當(dāng)上覆荷載為33 kpa時(shí)，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向位移最大可達(dá)到518.8 mm，遠(yuǎn)大于其他兩種布置方式。對(duì)于平行式和仰斜式兩種布置方式來看，當(dāng)滑體上部荷載小于12 kPa時(shí)，布置方式監(jiān)測(cè)點(diǎn)的的水平位移基本處于同一水平；當(dāng)上部荷載大于12 kPa時(shí)，平行式布置方式監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移突然上升且幅度較大，在上部荷載為33 kPa時(shí)，水平位移最大值為82.56 mm，而仰斜式布置方式的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移雖有一定程度的增大但幅度相比矩形結(jié)構(gòu)要小，在上部荷載為33 kPa時(shí)，水平位移最大值為27.92 mm，僅為俯斜式布置方式的5.4%，為平行式布置方式的33.8%。由以上分析可知：在相同的框架面積下，就單從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化來看，仰斜式的布置方式要優(yōu)于平行式布置方式和俯斜式布置方式，俯斜式布置方式為最不利布置方式。

圖4 同布置方式下A、B監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向位移

圖5 不同布置方式下C、D監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平向位移

4.2 錨桿最大軸力分析

從圖6可以看出，當(dāng)滑體上部無(wú)荷載時(shí)，三種布置方式下錨桿軸力最大值基本在同一水平，當(dāng)滑體上部施加荷載時(shí)，三種布置方式下錨桿軸力最大值基本均呈增大趨勢(shì)，但仰斜式布置方式時(shí)，錨桿軸力最大值增加速率要大于其他兩種布置方式。在上部荷載為33 kPa時(shí)，仰斜式錨桿最大軸力為195.2 KN，較平行式錨桿增大19.5%，較俯斜式錨桿增大27.3%。由以上分析可知，當(dāng)采用仰斜式錨桿進(jìn)行邊坡加固時(shí)，錨桿軸力偏大，而采用平行式布置和俯斜式布置方式時(shí)，錨桿軸力變化不大?？紤]到錨桿抗拉性能要強(qiáng)于抗剪性能，在錨桿抗拉能力允許的情況下，仰斜式錨桿可充分發(fā)揮錨桿的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際工程中需適當(dāng)增加錨桿錨固段長(zhǎng)度，以避免出現(xiàn)錨桿軸力過大導(dǎo)致錨桿斷裂的情況。

圖6 不同布置方式下錨桿最大軸力

4.3 框架梁最大應(yīng)力及彎矩

從圖7可以看出，隨著上部荷載的增加，三種布置方式下框架梁的最大Z向應(yīng)力均呈增大趨勢(shì)。當(dāng)滑體上部荷載小于15 kPa時(shí)，三種布置方式下框架梁的最大Z向應(yīng)力基本一致。；當(dāng)滑體上部荷載大于15 kPa時(shí)，俯斜式布置形式下框架梁的最大Z向應(yīng)力上升幅度較大且遠(yuǎn)大于平行式和仰斜式布置形式，在上部荷載為33 kPa時(shí)，仰斜式布置形式下框架梁的最大Z向應(yīng)力值為1.45 KN，為俯斜式布置形式的2.5%，為平行式俯斜式布置形式的7.7%，，說明采用仰斜式布置形式時(shí)，邊坡加固效果較好，坡面無(wú)明顯滑動(dòng)，框架梁基本處于低受力狀態(tài)。

從圖8可以看出，隨著上部荷載的增加，三種布置方式下框架梁的最大Z向彎矩均呈增大趨勢(shì)。當(dāng)滑體上部有施加荷載時(shí)，俯斜式布置形式下框架梁的最大Z向應(yīng)力上升幅度較大且遠(yuǎn)大于平行式和仰斜式布置形式，在上部荷載為33 kPa時(shí)，仰斜式布置形式下框架梁的最大Z向應(yīng)力值為1.97 KN·m，為俯斜式布置形式的4.1%，為平行式俯斜式布置形式的21%，說明采用仰斜式布置形式時(shí)，邊坡加固效果較好，坡面無(wú)明顯滑動(dòng)，框架梁基本處于低受力狀態(tài)。

圖7 不同布置方式下框架梁最大Z向應(yīng)力

圖8 不同布置方式下框架梁最大Z向應(yīng)力

5 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析研究了仰斜式、平行式、俯斜式三種不同錨桿布置形式在防治邊坡時(shí)的加固效果。研究得到的結(jié)論如下：

(1)從三種不同錨桿布置形式下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移情況看來，在相同的框架梁結(jié)構(gòu)的情況下，就單從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化來看，仰斜式的布置方式要優(yōu)于平行式布置方式和俯斜式布置方式，俯斜式布置方式為最不利布置方式。

(2)當(dāng)采用仰斜式錨桿進(jìn)行邊坡加固時(shí)，錨桿軸力偏大，在錨桿抗拉能力允許的情況下，仰斜式錨桿可充分發(fā)揮錨桿的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際工程中需適當(dāng)增加錨桿錨固段長(zhǎng)度。

(3)從三種不同錨桿布置形式下框架梁最大應(yīng)力及彎矩情況看來，采用仰斜式布置形式時(shí)，坡面無(wú)明顯滑動(dòng)，框架梁基本處于低受力狀態(tài)，邊坡加固效果要明顯優(yōu)于平行式布置方式和俯斜式布置方式。

(4)目前受仰斜錨桿注漿的限制，對(duì)于本項(xiàng)目提出的錨桿支護(hù)布置形式只是局限于數(shù)值分析階段，尚缺乏相關(guān)實(shí)際工程驗(yàn)證，后期可進(jìn)一步依托實(shí)際工程進(jìn)行工程實(shí)踐。