錨固力學(xué)效應(yīng)對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響分析

許 容 劉慧明

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥246003）

1 概述

錨固效應(yīng)研究通過錨固巖土體的物理效應(yīng)、力學(xué)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)來體現(xiàn)。錨固主要有兩種作用，即對(duì)圍巖表面提供反力以約束巖體向臨空方向的變形，以及使巖體一體化的加固作用，提高巖體的穩(wěn)定性。

2 高邊坡工程地質(zhì)概況

該邊坡位于云南省昭通市，構(gòu)造主要受北西向和近南北向構(gòu)造控制，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景十分復(fù)雜。區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體北高南低，為滇西縱谷山原區(qū)地貌單元，地形切割強(qiáng)烈，相對(duì)高差一般為1500-3200m。該邊坡布置于大關(guān)河右岸，山坡陡峭，地形坡度一般為30～700，屬于中高山侵蝕型谷坡地貌。

3 數(shù)值模擬

計(jì)算采用的是Geo-Slope 公司研制的一個(gè)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性的模塊slope／w，采用了極限平衡的方法，對(duì)邊坡體進(jìn)行條分，自動(dòng)搜索確定滑動(dòng)面，求出畢肖普條分法、摩根斯坦-普拉斯條分法（摩根法）下的坡體穩(wěn)定系數(shù)。

暴雨工況模擬：邊坡所在地區(qū)24h 最大降雨量小于200mm。本次計(jì)算采用的降雨強(qiáng)度為200mm/d 作為暴雨?duì)顩r的計(jì)算依據(jù)。

地震工況模擬：本項(xiàng)目計(jì)算中地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)按50 年超越概率5%時(shí)對(duì)應(yīng)的基巖峰值加速度為0.16g，本報(bào)告按擬靜力法進(jìn)行計(jì)算。

圖1 開挖邊坡計(jì)算模型

4 錨固的力學(xué)效應(yīng)分析

巖土錨固的力學(xué)效應(yīng)反映在施加預(yù)應(yīng)力之后，可引起圍巖應(yīng)力的二次分布，從而提高了巖體的剛度，根據(jù)對(duì)多點(diǎn)的位移的觀測(cè)，錨索在張拉鎖定后，巖體的壓縮效應(yīng)有延時(shí)和繼續(xù)增強(qiáng)的現(xiàn)象。巖質(zhì)邊坡的開挖將使應(yīng)力產(chǎn)生重分布，引起巖坡表層的松弛張裂，而預(yù)應(yīng)力的施加部分恢復(fù)了原有的應(yīng)力，從而使巖體的完善性增加，輕度提高。已有研究表明：錨索最大抗滑力的大小只與錨固力和滑裂面摩擦角切有關(guān), 它的實(shí)現(xiàn)則取決于錨固角、錨固角與錨索的錨固效應(yīng)、材料成本等與都有較大的關(guān)系，而且錨固角的選取若不合理可能導(dǎo)致錨索的阻抗力迅速下降，因而錨固角的優(yōu)化設(shè)計(jì)在錨固設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算中顯得尤為重要。

4.1 錨索與水平方向的夾角關(guān)系分析

本節(jié)將分別計(jì)算錨索與水平方向夾角呈0°、5°、10°、15°四種情形各工況下的安全系數(shù)，并分析其滑動(dòng)面。錨索與水平方向的夾角變化時(shí)臨界滑動(dòng)面圖如所示（篇幅有限，僅顯示正常工況下0°、15°臨界滑動(dòng)面圖），各工況下穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表見表，錨索加固邊坡計(jì)算得出的最小安全系數(shù)見表：

圖（b）15°錨索正常水位臨界滑動(dòng)面圖

表1 錨索與水平方向0°夾角下各工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

表2 錨索與水平方向5°夾角下各工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

表3 錨索與水平方向10°夾角下各工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

表4 錨索與水平方向15°夾角下各工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

表5 錨索與水平方向的夾角變化時(shí)計(jì)算得出的最小安全系數(shù)

從上表中可得出：在未加固時(shí)，本文方法計(jì)算得出的最小安全系數(shù)畢肖普法為0.903，摩根斯頓- 普賴斯法為0.908；錨索最優(yōu)化加固角時(shí)（通過計(jì)算得出其最優(yōu)化加固角θ=10°），畢肖普法安全系數(shù)為1.646，摩根斯頓- 普賴斯法為1.436。加固邊坡相對(duì)于未加固邊坡，其計(jì)算得到的安全系數(shù)變大，可說明錨索對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到了改善作用。當(dāng)錨索與水平方向的夾角θ=10°時(shí)，其計(jì)算得到的安全系數(shù)最大，說明本文以錨索對(duì)邊坡穩(wěn)定性提供的抗滑力最大來求最優(yōu)化加固角的方法是可行的。錨索設(shè)置角度對(duì)巖石邊坡的穩(wěn)定性有重要影響,隨著錨索設(shè)置角度越大,邊坡的抗滑穩(wěn)定性越低,而邊坡的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，錨索設(shè)置角度過大將減小錨固作用的有效性,工程中必須考慮到錨索設(shè)置角度的問題，使錨索加固的有效性和合理性提高。

4.2 內(nèi)摩擦角變化時(shí)最優(yōu)錨索加固角加固邊坡分析

當(dāng)內(nèi)摩擦角變化時(shí)，其最優(yōu)錨索加固角加固邊坡計(jì)算得出的最小安全系數(shù)見下表：

表6

f 從表中可知： 本文方法計(jì)算得到的最小安全系數(shù)畢肖普法為1.172，摩根斯頓- 普賴斯法為1.175；,隨著內(nèi)摩擦角筍的增大，其錨索最優(yōu)加固角發(fā)生變化，也可知錨索最優(yōu)加固角與內(nèi)摩擦角切有較大的關(guān)系。

4.3 內(nèi)摩擦角變化時(shí)最優(yōu)錨索加固角加固邊坡分析

當(dāng)錨索加固位置發(fā)生變化時(shí),其最優(yōu)錨索加固角加固邊坡計(jì)算得出的最小安全系數(shù)見表7。

表7

從上表可知：本文方法計(jì)算得到的最小安全系數(shù)隨著錨索加固位置的上移,其錨索最優(yōu)加固角發(fā)生變化且變小,也可知錨索最優(yōu)加固角與錨索所在土條底面位置時(shí)的土條底面切線方向與水平方向的夾角有較大的關(guān)系,同時(shí),隨著錨索加固位置的上移,其錨索與滑動(dòng)面的接觸點(diǎn)也上移,而滑動(dòng)面土條底面切線方向與水平方向的夾角處在滑動(dòng)面位置越靠近坡頂越大, 故錨索最優(yōu)加固角直接與錨索加固位置有關(guān)。

5 結(jié)論

上述實(shí)例計(jì)算可以充分表明：對(duì)于任意曲線形滑裂面,確定錨索的最優(yōu)加固效果并不能通過單獨(dú)對(duì)錨索安設(shè)部位、設(shè)置傾角、設(shè)置長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算而獲得工程實(shí)踐中,為獲得最優(yōu)錨固效應(yīng)、最低工程造價(jià)和易于施工操作,需要從整體上對(duì)整個(gè)邊坡錨固系統(tǒng)的錨固效應(yīng)及經(jīng)濟(jì)造價(jià)并結(jié)合施工難易程度進(jìn)行多元參數(shù)分析,以求達(dá)到錨固效應(yīng)、工程造價(jià)和施工方便等多方面的平衡。