錨索加固方式的邊坡受力及變形特點研究

康文軒

(新疆昌吉州水利管理總站，新疆 昌吉 831100)

1 概 述

土體力學強度較弱，自穩(wěn)性較差，因此土質邊坡開挖施工常常采用輔助加固方式，以確保邊坡的穩(wěn)定。其中，錨索是邊坡工程加固中常采用的支護方式。

為此，許多學者對邊坡加固方式及效果開展了研究。李煒等[1]采用實驗方法，對高速公路邊坡采用的預應力錨索加固形式效果進行了研究，結果表明錨索具有彈性變形和塑性變形的雙階段變形特點，為類似工程施工提供了參考。寧文國等[2-3]對某結合預應力錨索的新型支護加固方式對高路塹邊坡的加固性能進行了研究，結果表明預應力錨索結合十字面板的施工方法在合理控制和保證相關施工質量的基礎上，加固效果明顯優(yōu)于單獨采用預應力錨索的加固方式。楊杰等[4]對預應力錨索的施工工藝進行了研究，結果表明基于工程實踐總結的預應力錨索施工方法和工藝要求，可以作為相關邊坡工程施工和設計規(guī)范的參照。陳國軍等[5]研究了預應力錨索加固的邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性，結果表明預應力錨索抗滑樁的設計深度和橫截面積應充分考慮相應的彎矩變化點。上述文獻對錨索加固方式所產生的應力及變形效應進行了研究，主要涉及各類邊坡工程和不同的錨索加固方式，包含不同的邊坡形式和最終的安全性評價。

本文以新疆某水利工程邊坡為研究對象，對錨索加固條件下的邊坡穩(wěn)定相關變形及受力特點進行研究。采用Flac3D軟件進行模擬，經過數(shù)值計算，分析錨索加固條件下邊坡的最大有效應力和最大位移。

2 工程概況

某水利工程邊坡位于我國西部地區(qū)，從上至下的地質條件主要由3層土質不同的邊坡土層組成，工程處于318國道旁，地理位置極為特殊，邊坡的穩(wěn)定對于318國道的正常運營有重要影響。邊坡三維示意圖見圖1，邊坡垂直一側高35m，底寬130.1m，從上至下分別為沉積土層、強風化層、弱風化層，各土層的相關物理力學參數(shù)見表1。

圖1 開挖邊坡三維示意圖

表1 各土層物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

由于Flac3D軟件在構建復雜邊坡模型時存在一定的不足，為此本文的邊坡構建方式采用CAD，先將模型剖面畫出，而后進行EXTRUDE命令操作，將模型在橫向方向上延伸至10m長，隨后導出到FLAC3D中。由于所研究問題為平面應變類型問題，因此邊坡的左右兩側采用固定法向約束的邊界條件，模型底部為全約束，即將X、Y、Z方向的約束全部固定，最后進行求解計算。構建的模型圖見圖2。

3.2 邊坡內的位移及受力特征

求解計算完成后，獲得最后錨索加固條件下的邊坡位移云圖，見圖3。同時，為了研究錨索加固條件下邊坡體內的受力變化特點，與計算完成后繪制的邊坡位移云圖一起繪制相應的邊坡受力圖，見圖4。

圖3 錨索加固邊坡位移云圖(單位：m)

圖4 錨索加固邊坡最大有效應力云圖(單位：Pa)

根據(jù)圖3可知，當采用錨索加固方式對邊坡進行加固后，邊坡內的最大位移為5.04e-2m，最大位移主要集中于上部臺階位置以上部位，表明布置于邊坡下部的錨索起到了有效的加固邊坡下部土體的作用；而在下部臺階以上的邊坡位移最大為4e-2m，說明布置于邊坡下部的錨索有效減少了邊坡下部土體的位移；隨著逐漸向邊坡下部，尤其是最底部位置處，邊坡的位移越小，邊坡位移的最大值僅為1.5e-2m，表明上部的錨索加固發(fā)揮了作用，說明該類地質條件和該型邊坡坡率條件下，采用錨索加固的邊坡失穩(wěn)治理方式是合理的。

根據(jù)圖4可知，當采用錨索加固方式對邊坡進行加固后，邊坡內的最大有效應力為2.81e5Pa，表現(xiàn)為壓應力，最大有效應力主要集中于邊坡最底部位置；邊坡內的最小有效應力為2.35e3Pa，表現(xiàn)為壓應力，主要位于邊坡表層，隨著不斷向上接近地表，而最大有效應力顯著降低，表明布置于邊坡內的錨索起到了有效減低邊坡表層土體所受的應力作用。同時可以看出，在下部臺階以上的邊坡最小有效應力向邊坡內延伸的距離較大，約為2m；而在有錨索加固部位的下部邊坡最小有效應力，向邊坡內延伸的距離極小，僅為0.3m，說明布置于邊坡下部的錨索有效減少了邊坡下部土體的有效應力。因此，該類地質條件和該型邊坡坡率條件下，采用錨索加固的邊坡失穩(wěn)治理方式是合理的。

3.3 邊坡內錨索的位移特征

為了研究錨索的變形特征，通過Flac3D，采用繪制相應結構部件圖的方式，繪制錨索的速度變化趨勢圖，見圖5。同時，采用同樣方法繪制錨索相應的位移變化趨勢圖，見圖6。

由圖5可知，當采用錨索加固方式對邊坡加固后，邊坡內錨索的最大速度為4.02e-16m/s，最大速度主要集中于上部錨索，表明布置于邊坡上部的錨索發(fā)揮了有效的加固邊坡下部土體的作用；而在下部變臺階位置的邊坡內錨索的最大速度為2.25e-16m/s，邊坡內錨索的最大速度接近于零，說明布置于邊坡下部的錨索在加固土體的同時，其自身幾乎不發(fā)生運動，錨索自身是穩(wěn)定的，該錨索的應力選擇和力學特征用來加固該邊坡是合理的。

由圖6可知，當采用錨索加固方式對邊坡進行加固后，邊坡內錨索的最大位移為2.13e-2m，最大位移主要集中于上部錨索中間位置，表明布置于邊坡上部的錨索發(fā)揮了有效的加固邊坡下部土體的作用，起到了抗邊坡滑移運動的作用；

圖5 邊坡內的錨索速度云圖(單位：m)

圖6 邊坡內的錨索位移云圖(單位：Pa)

而在下部變臺階位置的邊坡內錨索的最大位移為1.2e-2m，說明布置于邊坡下部的錨索在加固土體的同時，其自身隨邊坡的運動較小，且表現(xiàn)出與邊坡內的土體整體協(xié)調的運動特征，說明采用該材料屬性的錨索來加固該邊坡是合理的。

4 結 論

1)邊坡內土體的最大位移為5.04e-2m，土體最大位移主要集中于上部臺階位置以上的土體；邊坡內的最大有效應力為2.81e5Pa，最大有效應力主要集中于邊坡最底部位置。

2)邊坡內錨索的最大速度為4.02e-16m/s，最大速度主要集中于上部錨索；邊坡內錨索的最大位移為2.13e-2m，最大位移主要集中于上部錨索的中間位置。

3)土體的最大位移和最大有效應力、錨索的最大速度和最大位移均表明，采用錨索加固方式對邊坡進行加固是合理的，邊坡上部土體可參考下部的錨索布置形式進行加固。