格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合加固邊坡數(shù)值模擬分析

汪 洋 陳 濤 鄭麗婷

（1、廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州510006 2、廣州工程總承包集團(tuán)有限公司，廣東 廣州510200 3、廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院南沙分院，廣東 廣州511458）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，邊坡治理工程也隨之增多[1]，為此，研究邊坡支護(hù)措施有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)作為一種新興的柔性復(fù)合邊坡加固措施，在邊坡工程中的應(yīng)用十分廣泛[2]，但是，目前相關(guān)的理論研究滯后于廣泛應(yīng)用。

1 格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合加固邊坡機(jī)理

對(duì)于格構(gòu)梁錨桿復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，就就格構(gòu)本身來(lái)講僅僅是一種傳力結(jié)構(gòu)，而加固的抗滑力主要由格構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)處的錨桿提供。將格構(gòu)梁、錨桿與坡面土作為一整體考慮，下滑力將與錨桿的拉力平衡[3]。以單滑面為例，滑坡體下滑力P 的一個(gè)力的分量Pn與垂直于梁錨桿的分量Tni平衡。

下滑體產(chǎn)生的下滑力與錨桿的抗滑力平衡：

圖1 格梁錨桿復(fù)合結(jié)構(gòu)受力示意圖

綜合以上式（1）～（3）可以確定錨桿的錨固角度，通過(guò)錨桿拉力Ti，可確定錨固長(zhǎng)度。

2 模型建立

2.1 本構(gòu)模型的選取

本文選用莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則[4]，表達(dá)式為：

式中：

I1- 第一應(yīng)力不變量；

J2- 第二偏應(yīng)力不變量；

θ- 應(yīng)力洛德角；

c- 土體黏聚力；

φ- 土體內(nèi)摩擦角；

邊坡穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法，其基本原理是將土體強(qiáng)度指標(biāo)c、φ 值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)FS（安全系數(shù)），得到一組新的c′、φ′值，作為新的材料參數(shù)帶入有限元進(jìn)行試算，當(dāng)邊坡土體符合給定的臨界破壞判定條件時(shí)，對(duì)應(yīng)的FS被稱為邊坡的最小安全系數(shù)[5]。

2.2 模型本構(gòu)參數(shù)

格構(gòu)梁橫截面尺寸為300mm×300mm，彈性模量為3.41×107kPa，密度為2.634t/m3，縱梁和橫梁間距均為2m。錨桿設(shè)在格構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)處，彈性模量1.95×108kPa,直徑28mm，設(shè)計(jì)抗拔力均為90kN。邊坡土層參數(shù)詳見(jiàn)下表1。

2.3 數(shù)值模型

本文采用二維模型。該邊坡分六次開(kāi)挖，格梁錨桿支護(hù)分五段進(jìn)行。

先挖除區(qū)域1，再挖除區(qū)域2，然后支護(hù)第一段格構(gòu)梁和錨桿；開(kāi)挖區(qū)域3，然后支護(hù)第二段格構(gòu)梁錨桿；重復(fù)以上工序，直至完成第五段格構(gòu)梁錨桿支護(hù)。（圖2-3）

圖2 邊坡開(kāi)挖區(qū)域

表1 土層參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

本文分別對(duì)有無(wú)格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合支護(hù)兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4-9。

4 結(jié)論

本文利用大型有限元軟件Abaqus 采用強(qiáng)度折減法分別對(duì)有無(wú)格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合支護(hù)兩種工況下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比分析總結(jié)得出如下結(jié)論：

（1）在格構(gòu)粱錨桿聯(lián)合支護(hù)下，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力得到改善，塑性應(yīng)變顯著減小，滑坡體位移得到約束，邊坡表面最大位移減小約5.2%。

（2）此次數(shù)值模擬分析無(wú)格梁錨桿聯(lián)合支護(hù)土質(zhì)邊坡的安全系數(shù)為1.122，采用格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合支護(hù)土質(zhì)邊坡安全系數(shù)為1.510，安全系數(shù)提高約34.6%，加固效果顯著。

圖3 格構(gòu)梁錨桿復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖4 無(wú)支護(hù)邊坡位移

圖5 有支護(hù)邊坡位移

圖6 無(wú)支護(hù)邊坡塑性應(yīng)變區(qū)

圖7 有支護(hù)邊坡塑性應(yīng)變區(qū)

圖8 無(wú)支護(hù)邊坡應(yīng)力

9 有支護(hù)邊坡應(yīng)力