新型碳絲維錨桿在治理邊坡漸進(jìn)式破壞工程中的應(yīng)用

王秀蓉，陳子君，王邦民

(中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

0 引言

由于自然條件、地質(zhì)構(gòu)造、人類活動(dòng)破壞等原因引起的滑坡災(zāi)害已經(jīng)成為我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域的主要問(wèn)題。每年發(fā)生的大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害給國(guó)家和地區(qū)造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]，其中影響較嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在廣西、云南、貴州、四川、甘肅等地。由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性強(qiáng)，預(yù)防難度大，已嚴(yán)重威脅到建筑、道路等構(gòu)筑物安全運(yùn)營(yíng)[2]。

長(zhǎng)久以來(lái)邊坡漸進(jìn)式破壞問(wèn)題一直困擾著工程建設(shè)及技術(shù)研究人員，成為巖土工程界研究難點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)有關(guān)學(xué)者在邊坡的漸進(jìn)破壞研究方面也取得了一些有益的成果[2-3]，薛海斌等[3]通過(guò)改進(jìn)條分法對(duì)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，采用局部安全系數(shù)取代常規(guī)總體安全系數(shù)，模擬邊坡的漸進(jìn)式破壞過(guò)程；李小春、陳國(guó)慶等[1，4]在不平衡推力法中引入了Maxwell松弛模型，考慮了巖土體的應(yīng)變軟化特性，建立了土質(zhì)邊坡漸進(jìn)破壞的演化模型。何忠明等[2]在傳統(tǒng)瑞典條分法的基礎(chǔ)上，引入了應(yīng)變協(xié)調(diào)方程，提出了能夠簡(jiǎn)化邊坡穩(wěn)定性分析方法，但該方法需要考慮土體的應(yīng)變軟化特性，此方法應(yīng)用有一定的局限性。也有學(xué)者在傳統(tǒng)的極限平衡法研究的基礎(chǔ)上，考慮巖土體本構(gòu)關(guān)系，引入強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析[5]，由于強(qiáng)度折減法包含了屈服度指標(biāo)、區(qū)域破損強(qiáng)度參數(shù)等漸進(jìn)破壞特性，更能合理模擬邊坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程。

滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理方法較多，治理材料也日趨更新。傳統(tǒng)的方法主要有抗滑樁、錨桿、錨索、擋土墻、排水溝等，其原理都是通過(guò)增加錨固力，減小下滑力，去除外界因素影響，從而使其穩(wěn)定性增強(qiáng)，減輕其危害?；碌刭|(zhì)災(zāi)害防治過(guò)程中，如何控制下滑力是治理成功的關(guān)鍵[5-6]，尤其是漸進(jìn)式破壞滑坡治理，其隱伏式破壞面無(wú)法有效預(yù)測(cè)，邊坡動(dòng)態(tài)漸進(jìn)破壞失穩(wěn)是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程，導(dǎo)致治理后的效果無(wú)法保障。因此滑坡治理需要高性能的錨固材料才能確保工程效果，一般情況下對(duì)于小型滑坡體(厚度5m～8 m)，可采用消坡卸荷方法治理，對(duì)于大型的高陡邊坡必須提高材料性能，增強(qiáng)錨固力才能徹底解決漸進(jìn)式破壞問(wèn)題[3，7]。當(dāng)滑坡體的厚度較大、高度較高時(shí)，傳統(tǒng)的治理方法存在切坡卸荷工程量大、經(jīng)濟(jì)投入多、環(huán)境破壞大等諸多缺點(diǎn)，而不能廣泛使用，如何開發(fā)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可靠的錨固材料是亟待解決的問(wèn)題。

漸進(jìn)式滑坡破壞治理的關(guān)鍵是選擇可靠的錨固材料，它是治理后滑坡穩(wěn)定性的保障，直接決定工程治理效果與經(jīng)濟(jì)投入。國(guó)內(nèi)外對(duì)于錨固材料的研發(fā)取得了較多有益的成果，Ugai K等[5]研發(fā)了碳纖維石墨微晶、高模量碳纖維等材料，具有良好的抗拉、抗彎、抗扭等優(yōu)點(diǎn)，但由于剛度偏大、易脆裂、成本高等缺點(diǎn)而不能推廣應(yīng)用。Zienkiewicz O C等[6]通過(guò)鋼筋基礎(chǔ)原料，樹脂錨固劑、碳纖維材料合成新型錨固材料，強(qiáng)度和穩(wěn)定性都較好，因容易銹蝕，不滿足漸進(jìn)式破壞的治理要求。目前國(guó)內(nèi)錨固材料多以傳統(tǒng)鋼筋材料為主，但材料錨固力較弱、穩(wěn)定性較差、易銹蝕，邊坡在治理后易發(fā)生應(yīng)力松弛而引發(fā)二次破壞，治理效果無(wú)法保證。

基于此，為徹底解決漸進(jìn)式滑坡的破壞問(wèn)題，徹底根治持續(xù)破壞帶來(lái)不利影響。本文通過(guò)分析滑坡漸進(jìn)式破壞過(guò)程的特點(diǎn)，研發(fā)了具有低成本、高性能、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的新型碳絲維錨固材料，通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)等測(cè)試錨固材料的物理力學(xué)性能指標(biāo)，并建立漸進(jìn)式滑坡仿真模型與工程測(cè)試，驗(yàn)證錨固材料的工程可靠性。

1 新型碳絲維錨桿的制備

1.1 材料選擇

錨固材料選取依據(jù)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可靠性原則，主要由碳絲維復(fù)合材料和鋼筋材料組成，其中碳絲維復(fù)合材料(圖1)主要為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維，瀝青基碳纖維主要原料為石油瀝青和煤瀝青。鋼筋材料為熱軋帶肋鋼筋，牌號(hào)可依據(jù)錨固力需求大小選取，一般選取HRB235、HRB400、HRB500等牌號(hào)，外徑為Φ15～25 mm。材料最優(yōu)配比方案可通過(guò)試驗(yàn)確定。

圖1 碳絲維錨桿結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of carbon wire anchor rod

除此之外錨固材料還包含固化劑、促進(jìn)劑和錨固劑外加劑材料等。其中固化劑為間苯二胺(MPD)或二氨基二苯基甲烷(DDM)；促進(jìn)劑為氧化鋅或氧化鎂和氧化鉛；錨固劑為Z2850樹脂。

1.2 制備方法

錨固材料可按常規(guī)方法制備，具體如下：

1)對(duì)碳絲維復(fù)合材料進(jìn)行張拉之后，表面沉積涂抹防氧化層，形成無(wú)裂紋表面涂層。

2)對(duì)鋼筋材料施加張拉應(yīng)力，表層鍍促進(jìn)劑，防止氧化。

3)升高溫度，將張拉后碳絲維復(fù)合材料與鋼筋材料捻股組合，得到碳絲維錨桿初始復(fù)合材料。

4)降溫后，對(duì)初始復(fù)合材料再次張拉，而后卸除張拉應(yīng)力，表面涂覆固化劑，即得到碳絲維錨桿。

5)在治理滑坡地質(zhì)災(zāi)害使用前，采用錨固劑涂抹在碳絲維錨桿的表面，即可得到完整的滑坡錨固材料。

2 新型碳絲維錨桿性能試驗(yàn)

2.1 抗拉性能試驗(yàn)

碳絲維錨固材料按配比方案要求制備，長(zhǎng)度為350 mm，直徑為Φ20 mm，制作6根。傳統(tǒng)錨桿材料為螺紋鋼筋，型號(hào)HRB235鋼筋(Φ20 mm)，規(guī)格為350 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，制作6根。測(cè)試設(shè)備為WEW-300B錨桿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)后，測(cè)定抗拉強(qiáng)度Rm，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，傳統(tǒng)鋼筋錨固材料試件應(yīng)力峰值強(qiáng)度約180 MPa，新型碳絲維錨桿材料應(yīng)力峰值強(qiáng)度接近240 MPa，高于傳統(tǒng)鋼筋錨固材料應(yīng)力峰值強(qiáng)度近35%，另外由圖2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變化也可以看出，新型錨固材料線性變化規(guī)律性較好，未見(jiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而傳統(tǒng)鋼筋錨固材料應(yīng)力應(yīng)變曲線規(guī)整性較差，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，碳絲維聚合物材料在強(qiáng)、弱動(dòng)態(tài)鍵的協(xié)同作用下，可大大提高其拉伸倍數(shù)，一般鋼筋材料的拉伸通常不超過(guò)10倍，而新型材料拉伸倍數(shù)可達(dá)30倍以上，大大提高了錨固材料的抗拉性能。在工程使用中可有效增加錨固力，防止因抗拉性能不足而引發(fā)滑坡的二次破壞。

圖2 抗拉試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.2 Result curve of tensile test

2.2 抗彎性能試驗(yàn)

碳絲維錨固材料按配比方案要求制備長(zhǎng)度為400 mm、直徑Φ22 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件2根。采用同樣的方法制作傳統(tǒng)鋼筋錨桿，材料為Φ22的HRB235鋼筋，長(zhǎng)度為400 mm，制作標(biāo)準(zhǔn)試件2根，制備過(guò)程保持環(huán)境干燥，防止生銹。試驗(yàn)設(shè)備為QX-W700錨桿彎曲強(qiáng)度測(cè)試儀，試驗(yàn)開始后緩慢施加應(yīng)力，每次彎曲角度達(dá)到180°后，反向加載，彎曲數(shù)次后進(jìn)行擾度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 抗彎性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The result of bending resistance test

由圖3可知，傳統(tǒng)鋼筋錨桿試件經(jīng)3次彎曲試驗(yàn)后，表面出現(xiàn)明顯裂裂紋，峰值強(qiáng)度達(dá)到最大，經(jīng)5次彎曲試驗(yàn)后，鋼筋進(jìn)入塑性階段，彎曲面幾乎斷裂，出現(xiàn)塑性破壞，此時(shí)強(qiáng)度逐漸降低；新型碳絲維錨固材料試件經(jīng)3次加載彎曲后，表面幾乎無(wú)裂縫，整個(gè)材料仍處于彈性變形范圍，此時(shí)峰值強(qiáng)度逐漸增大。經(jīng)10次彎曲試驗(yàn)后，峰值強(qiáng)度達(dá)到最大，試件表面有明顯裂紋出現(xiàn)，但峰值強(qiáng)度依舊保持較高水平，試件仍表現(xiàn)出極好的韌性。以上試驗(yàn)結(jié)果表明新型碳絲維錨固材料相比于傳統(tǒng)鋼筋錨固材料具有良好的抗彎性能，在治理滑坡工程中能夠有效抵抗滑體帶來(lái)的彎曲破壞。

2.3 抗扭性能試驗(yàn)

碳絲維錨固材料按配比方案要求制備長(zhǎng)度為350 mm、直徑Φ22 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件2根。采用同樣的方法制作傳統(tǒng)鋼筋錨桿，材料為Φ22的HRB235鋼筋，長(zhǎng)度為350 mm，制作標(biāo)準(zhǔn)試件2根。制備過(guò)程保持試件的直線形狀，不存在損傷、扭曲等瑕疵。試驗(yàn)設(shè)備為NZ500型全自動(dòng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，加載過(guò)程控制速度，緩慢施加扭力，記錄扭轉(zhuǎn)次數(shù)。

由圖4可知，傳統(tǒng)鋼筋錨桿材料試件扭轉(zhuǎn)3.5次后，抵抗扭矩達(dá)到最大值7.5 kN·m，試件表面開始出現(xiàn)裂紋；新型錨固材料試件扭轉(zhuǎn)8.5次后，抵抗扭矩達(dá)到最大值12.5 kN·m，且試件表面僅出現(xiàn)輕微裂紋，抗扭性比傳統(tǒng)鋼筋材料提高了60%以上。試驗(yàn)表明在彎曲過(guò)程中，表面附著的碳絲維高聚合物材料雙鍵鍵能較高，具有很好彈性，能夠在扭曲變形中增加鋼筋的回彈性能，在扭轉(zhuǎn)后易于回彈到初始狀態(tài)，因此極大地增加了抗扭性能。

圖4 抗扭性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The result of torsion resistance test

2.4 腐蝕性試驗(yàn)

碳絲維錨固材料按配比方案制備，制做長(zhǎng)度1500 mm，直徑Φ22 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件5根；傳統(tǒng)鋼筋錨桿采用HRB235鋼筋(Φ22 mm)，長(zhǎng)度為1500 mm，制作標(biāo)準(zhǔn)試件5根，制備過(guò)程在密閉、干燥環(huán)境中進(jìn)行，防止生銹。試驗(yàn)在潮濕模型箱中進(jìn)行，并注入SO2等腐蝕性氣體，自然銹蝕150d后，用UJ25型電位差計(jì)測(cè)定試樣的電位水平Esce。具體結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，傳統(tǒng)鋼筋材料電位水平Esce為-0.6～-0.4，整個(gè)材料全段面出現(xiàn)銹蝕，且隨著時(shí)間的增加，銹蝕度越來(lái)越高；新型錨固材料電位水平Esce為-0.8～-0.6，基本未有銹蝕現(xiàn)象，且隨著時(shí)間的增加抗銹蝕能力還不斷提高?？梢?jiàn)新型錨固材料在制備過(guò)程中有效融合了高聚合物低碳極吸附特性，降低了鋼筋材料的電位水平，在潮濕環(huán)境下可抑制鋼材發(fā)生腐蝕性化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，增加了材料的耐腐蝕性，因而在工程使用中使用壽命長(zhǎng)。

圖5 電位水平Esce結(jié)果曲線Fig.5 Result curve of potential level Esce

2.5 錨固效果試驗(yàn)

試驗(yàn)采用傳統(tǒng)鋼筋錨固材料、新型碳絲維錨固材料兩種方案進(jìn)行，其中傳統(tǒng)鋼筋錨固材料為HRB335鋼筋錨桿(Φ20 mm)，錨固劑為水泥砂漿，新型錨固材料是由碳絲維與HRB235 (Φ15 mm)鋼筋制備的錨桿，表面涂抹固化劑。

試驗(yàn)場(chǎng)地為桂林市龍勝縣體育路2個(gè)相似滑坡，1號(hào)滑坡高度約14.9 m，寬度13 m，滑體厚度8 m，采用傳統(tǒng)鋼筋錨桿治理；2滑坡高度約15.3 m，寬度13.7 m，滑體厚度7.9 m，采用新型碳絲維錨桿治理。

采用QZJ100B高壓鉆機(jī)分別對(duì)1號(hào)滑坡、2號(hào)滑坡鉆孔，鉆孔傾角控制約35°，兩種方案施工均按《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(CECS22：90)要求進(jìn)行，滑坡治理穩(wěn)定后一個(gè)水文年內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)儀器采用SIR-2型檢測(cè)儀。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 傳統(tǒng)錨固材料檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Test result of traditional anchorage material

圖7 新型錨固材料檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Test result of new anchorage material

由圖6、圖7檢測(cè)結(jié)果可知，傳統(tǒng)材料治理后的錨固區(qū)出現(xiàn)較弱的反射波，且隨著深度的增加，反射頻率越來(lái)越低，后期幾乎沒(méi)有波形信號(hào)，表明錨固區(qū)完整性效果不佳；反觀新型錨固材料治理后的錨固區(qū)，反射波形信號(hào)較強(qiáng)，波形規(guī)整，僅在局部地段信號(hào)表現(xiàn)弱，表明錨固后的滑體整體性較好。另外在材料使用方面，傳統(tǒng)材料所用鋼筋多，質(zhì)量大，施工過(guò)程困難，治理后滑坡上緣還出現(xiàn)明顯的裂縫，最大裂縫近5 cm，且錨固端鋼筋有明顯銹蝕，錨固效果不好；而新型錨固材料使用鋼筋材料數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)材料40%，重量為傳統(tǒng)鋼筋材料的20%，且施工方便，治理后滑坡上緣未有明顯裂縫，錨固端鋼筋未見(jiàn)明顯銹蝕，未見(jiàn)滑動(dòng)位移，治理后滑坡整體穩(wěn)定性較好。

將以上試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)鋼筋材料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如下：在抗拉強(qiáng)度性能方面?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋錨固材料試件應(yīng)力峰值強(qiáng)度約180 MPa，新型碳絲維錨桿材料應(yīng)力峰值強(qiáng)度接近240 MPa，高于傳統(tǒng)鋼筋錨固材料應(yīng)力峰值強(qiáng)度近35%，且具有較高的拉伸彈性模量；在彎曲試驗(yàn)中新型碳絲維錨桿材料進(jìn)入塑性變形階段的進(jìn)程明顯慢于傳統(tǒng)鋼筋材料，抵抗塑性破壞的能力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)鋼筋材料，抗彎性能提高了近50%；在抗扭性能方面?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋材料抵抗扭矩最大值為7.5 kN·m，新型錨固材料抵抗扭矩最大值為12.5 kN·m，抗扭性比傳統(tǒng)鋼筋材料提高了60%；在耐腐蝕性能方面，傳統(tǒng)鋼筋材料電位水平Esce為-0.6～-0.4，電位水平值相對(duì)較低，材料易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，新型錨固材料電位水平Esce為-0.8～-0.6，相對(duì)較高，抗銹蝕能力更強(qiáng)；在錨固效果方面新型錨固材料使用鋼筋材料數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)材料五分之二，重量?jī)H為傳統(tǒng)鋼筋材料的1/5，相對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，未來(lái)在工程使用中可有效節(jié)約材料，顯著降低治理費(fèi)用。

3 邊坡漸進(jìn)式破壞數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)漸進(jìn)式滑坡的特征，確定計(jì)算模型形狀及尺寸[6，10]。模型具體參數(shù)：坡高H為30 m，坡肩為60 m，坡角為45°坡腳至左邊界距離為1.5H，坡頂至右邊界距離為2.5H，坡頂部到底部邊界距離為3H。模型計(jì)算單元?jiǎng)澐譃?5 674個(gè)，節(jié)點(diǎn)15 714個(gè)，計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

圖8 邊坡計(jì)算模型Fig.8 Slope calculation model

模型法向約束邊界為兩側(cè)邊緣，全約束邊界條件為底部界限范圍內(nèi)。

3.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算方案

根據(jù)Mohr- Coulomb 應(yīng)變軟化本構(gòu)模型及庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則確定計(jì)算參數(shù)[8，10]，具體參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculated parameters

為了對(duì)比驗(yàn)證治理前后滑坡的穩(wěn)定性效果，不同材料錨固后的性能。本文采用三種研究方案進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。方案A為新型碳絲維錨固材料，方案B為傳統(tǒng)鋼筋錨固材料，方案C為無(wú)錨固措施的自然滑坡。在模型計(jì)算中大多數(shù)參數(shù)會(huì)保持不變。只有黏聚力、等效塑性應(yīng)變閾值個(gè)別計(jì)算參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，針對(duì)這些會(huì)發(fā)生變化的計(jì)算參數(shù)可根據(jù)黏聚力-等效塑性應(yīng)變曲線確定，具體參數(shù)選取見(jiàn)圖9。

圖9 黏聚力-等效塑性應(yīng)變變化曲線Fig.9 Cohesive force-equivalent plastic strain curve

3.3 不同錨固材料治理后邊坡的特征分析

邊坡漸進(jìn)式破壞過(guò)程包括剪切帶擴(kuò)展過(guò)程、治理材料參數(shù)時(shí)空演化過(guò)程、滑坡特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)變量變化過(guò)程；通過(guò)Bishop 法確定靜態(tài)安全系數(shù)[7，11]，對(duì)錨固材料參數(shù)時(shí)空分布、邊坡動(dòng)態(tài)安全系數(shù)分析，驗(yàn)證邊坡漸進(jìn)破壞仿真模型合理性及錨固材料可靠性。

3.3.1剪切帶漸進(jìn)破壞過(guò)程及錨固效果描述

根據(jù)建立的計(jì)算模型，對(duì)自然滑坡及采用兩種錨固材料治理后方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在滑坡漸進(jìn)式破壞過(guò)程中，隨著時(shí)間變化，會(huì)先在軟弱滑動(dòng)面形成剪切帶，剪切帶不斷加寬后形成塑性區(qū)，塑性區(qū)延伸后形成整條滑帶。整個(gè)滑動(dòng)面由滑體(D)、滑帶(E)、滑床(F)組成。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

由圖10可見(jiàn)，邊坡發(fā)生漸進(jìn)式破壞過(guò)程先從坡腳開始，隨著時(shí)間的增加，塑性區(qū)逐漸向上發(fā)展，延滑動(dòng)面不斷延伸，此時(shí)滑動(dòng)面塑性應(yīng)變?cè)龃?，黏聚力減小，進(jìn)入塑性狀態(tài)的點(diǎn)越來(lái)越多，塑性應(yīng)變也逐漸增大，黏聚力峰值強(qiáng)度急劇減小，最終達(dá)到殘余黏聚力最小值，漸進(jìn)式破壞過(guò)程結(jié)束，整個(gè)滑動(dòng)面的塑性區(qū)完全貫通，邊坡處于完全破壞狀態(tài)。此外，兩種材料方案錨固后的滑坡，其漸進(jìn)破壞的程度不同。傳統(tǒng)材料錨固后的滑坡，其塑性區(qū)處于完全貫通狀態(tài)，而反觀采用新型碳絲維錨桿材料加固邊坡的方案，漸進(jìn)式破壞進(jìn)程持續(xù)到邊坡的中上緣處即停止，整個(gè)塑性面沒(méi)有實(shí)現(xiàn)貫通，表明碳絲維錨固材料能有效限制邊坡漸進(jìn)式破壞的進(jìn)程，對(duì)滑坡治理的可靠性更高。

圖10 邊坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程及錨固效果

3.3.2滑體內(nèi)特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)變量描述

滑動(dòng)面每個(gè)特征點(diǎn)在空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)變量變化過(guò)程都表現(xiàn)的各不相同。各特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征量與時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖11。

圖11 滑動(dòng)面特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征量與時(shí)間關(guān)系

由圖11a可知，滑體D中特征點(diǎn)在水平方向的加速度呈直線狀態(tài)，大小基本趨向于0；而滑帶E特征點(diǎn)、滑床內(nèi)F特征點(diǎn)從開始都有上下方向的加速度，且隨著時(shí)間的變化，在局部地段還出現(xiàn)加速度的跳躍點(diǎn)，表明在豎直方向邊坡破壞的趨勢(shì)更為突出，這也充分說(shuō)明滑體自重的荷載作用是引發(fā)滑坡破壞的主要因素。

由圖11b可知，滑體(D)、滑帶(E)、滑床(F)在開始階段水平向速度為0，隨著時(shí)間增加，0～4 s內(nèi)水平速度向負(fù)向增大，此時(shí)整個(gè)滑坡體在自重作用下開始向下滑移破壞，5～12 s水平向速度開始轉(zhuǎn)向正向增大，此時(shí)滑坡開始出現(xiàn)拉裂破壞，12 s以后水平速度方向又轉(zhuǎn)向負(fù)向，表明滑體與滑床基本脫離，完全處于滑動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)滑坡狀態(tài)最危險(xiǎn)，隨時(shí)可能發(fā)生大規(guī)模破壞。

由圖11c可知，初始階段滑坡體的水平向位移變化較小，此時(shí)滑坡體內(nèi)各點(diǎn)處于蠕滑階段，從12 s后開始，水平位移負(fù)向逐漸增大，尤其是方案C中自然滑坡增長(zhǎng)幅度變化明顯，方案B增長(zhǎng)幅度次之，方案A增長(zhǎng)幅度最小，這也充分說(shuō)明采用碳絲維錨桿治理后滑坡，其位移變形得到了充分的約束，與傳統(tǒng)的鋼筋錨固材料相比，碳絲維錨固材料在治理漸進(jìn)式滑坡變形破壞方面更具優(yōu)勢(shì)。

3.4 錨固后滑動(dòng)面的安全系數(shù)影響分析

安全系數(shù)在評(píng)價(jià)漸進(jìn)式破壞滑坡的治理效果方面是至關(guān)重要的，是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定的重要指標(biāo)。本文中滑坡錨固前后安全系數(shù)安全系數(shù)變化過(guò)程曲線見(jiàn)圖12。

圖12 邊坡漸進(jìn)破壞過(guò)程中不同方案的安全系數(shù)變化曲線Fig.12 The variation curve of safety coefficient ofdifferent schemes in the process of slope progressive failure

由圖12可見(jiàn)，邊坡在錨固前后，不同方案的安全系數(shù)有明顯變化，方案A的安全系數(shù)在漸進(jìn)式破壞過(guò)程中，變化曲線最為優(yōu)越，始終保持較高地安全系數(shù)指標(biāo)，即使在后期殘余黏聚力較小的時(shí)候，依然保持著1.0以上的水平，此時(shí)的邊坡安全性依然很高，不會(huì)發(fā)生滑塌破壞；方案B初期安全系數(shù)比較高，但隨著時(shí)間增加開始逐漸降低，尤其在20 s以后，急劇降低，此時(shí)滑坡體的殘余黏聚力達(dá)到最小值，但由于錨固作用遭到漸進(jìn)式破壞的影響較大，因?yàn)闊o(wú)法抵抗下滑力的沖擊，此時(shí)滑坡較為危險(xiǎn)，隨時(shí)可能發(fā)生大規(guī)模的垮塌，隨后邊坡安全系數(shù)逐漸減小，最終達(dá)到和天然滑坡一樣的狀態(tài)，說(shuō)明傳統(tǒng)鋼筋錨固材料在治理漸進(jìn)式滑坡破壞方面存在較大的缺陷；方案C邊坡安全系數(shù)變化相比較錨固材料治理的結(jié)果而言，變化更加明顯，僅僅在前期保持了較短時(shí)間的安全穩(wěn)定系數(shù)，而后安全系數(shù)急劇降低，無(wú)緩沖的空間，殘余黏聚力呈現(xiàn)最低水平，等效塑性應(yīng)變閾值增大，安全系數(shù)快速減小階段較其他兩種方案提前，快速減小階段時(shí)間短，在滑坡體穩(wěn)定后的安全系數(shù)也比其他兩種方案低。由以上分析可知，碳絲維錨固材料在治理漸進(jìn)式滑坡中有較好的適宜性，能夠充分結(jié)合滑坡體的變形特征，治理效果也能得到有效保證。

4 結(jié)論

1)碳絲維錨固材料作為新型的復(fù)合材料，具有良好的抗拉性能、抗彎性能、抗扭性能等物理力學(xué)指標(biāo)，其耐腐蝕性及可靠的錨固效果優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼筋錨固材料；

2)通過(guò)建立模型對(duì)漸進(jìn)式滑坡的擴(kuò)展破壞、材料參數(shù)演化等仿真模擬，研究了滑體內(nèi)特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的變化過(guò)程，揭示了邊坡的滑體、滑帶、滑床等特征變量的漸進(jìn)破壞過(guò)程。

3)通過(guò)分析不同錨固材料治理邊坡后的安全系數(shù)變化，驗(yàn)證了新型碳絲維錨桿在治理漸進(jìn)式滑坡破壞工程中的可靠性，相比與傳統(tǒng)鋼筋錨固材料，其良好的塑性變形能力能夠適應(yīng)漸進(jìn)式的破壞過(guò)程，確保了治理前后較高的安全系數(shù)指標(biāo)。