錨桿加固公路邊坡穩(wěn)定性

趙念偉

（淄博市交通建設(shè)發(fā)展中心，山東 淄博 256100）

0 引言

邊坡穩(wěn)定性是公路工程的重要研究內(nèi)容。邊坡加固通常采用抗滑樁、錨桿及格構(gòu)等方式。其中，由于錨桿加固具有施工簡單、造價低等特點，其被廣泛應用于公路邊坡工程。楊逸飛等[1]基于強度折減法系統(tǒng)地研究了錨桿加固順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。周粲銘等[2]基于數(shù)值有限元研究了降雨入滲對錨桿加固多級邊坡穩(wěn)定性影響。李忠等[3]基于可靠度理論系統(tǒng)地研究了土體參數(shù)變異性對框架錨桿加固黃土邊坡穩(wěn)定性的影響。李帥和林旺照[4]采用極限平衡理論系統(tǒng)地研究了降雨對系統(tǒng)錨桿加固邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，采用系統(tǒng)錨桿對邊坡的加固能力隨降雨強度增大而減弱。封永梅和張楠[5]采用理論推導方法研究了高陡邊坡錨桿加固的穩(wěn)定性計算方法。結(jié)果表明，邊坡的穩(wěn)定性隨錨桿應力增大而增大。加固初始位置越靠近傾覆區(qū)，邊坡的抗傾覆能力越弱。曹利宏、蔣明鏡和周偉等[6-8]基于室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)地研究了錨桿加固散粒體邊坡的加固機理。結(jié)果表明，縮小錨桿直徑和增大散粒體直徑都可以在一定程度上提升結(jié)構(gòu)強度。

該文基于ABAQUS 數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究了錨桿加固邊坡效果，研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某公路博沂線淄博境段長103.924km，起點位于博山區(qū)白塔鎮(zhèn)，終點位于沂源縣與沂水縣交界。這次維修段落為沂源魚臺至沂源沂水界段，路線長43.777km，二級公路，路基寬度有16m、15m、13m 三種，相應路面寬度為15m、14m、12m。該路段按建設(shè)年限分為三段，魚臺至南石臼段（長8.656km）于2004 年建成，設(shè)計車速60km/h，2011 年對行車道按8m 寬范圍實施中修罩面，罩面厚度3cm，兩側(cè)硬路肩設(shè)1m 寬漸變段；南石臼至石橋段（長13.658km）于2007 年大修，設(shè)計車速60km/h；石橋至沂水界段（長21.459km）于2002 年改建，設(shè)計車速40km/h，2010 年實施全幅中修罩面，罩面厚度3cm。其中2006 年青蘭高速建設(shè)中有對3 個路段進行改線，長2.391km。這次對魚臺至南石臼段（K60+147～K68+802，長8.656km）及石橋至沂水界段（K82+460～K103+924，長21.459km）實施大修；南石臼至石橋段（K68+802～K82+460，長13.658km）實施中修罩面。

設(shè)計標準：維持原有公路等級標準，魚臺至石橋段設(shè)計車速采用60 km/h，石橋至沂水界段設(shè)計車速采用40km/h；改造的橋涵采用公路-I 級荷載標準，利用橋涵維持原荷載標準。

道路路基采用分層碾壓方式進行處理?；靥顗簩嵍却笥?6%以上。路基邊坡坡率為1 ∶1.5。沿線路段典型路段邊坡經(jīng)計算邊坡穩(wěn)定性為1.23。根據(jù)規(guī)范安全性要求，規(guī)定路基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)不得小于1.25。因此有必要對邊坡進行治理。該項目擬采用錨桿對該路基邊坡進行加固，錨桿共布置5 排。對采用錨桿加固后的邊坡進行穩(wěn)定性分析。

2 數(shù)值模型

2.1 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

基于實際路基邊坡建立計算模型。邊坡模型斷面寬度取為33 m，邊坡的最大高度為16m。根據(jù)鉆孔取樣及室內(nèi)土工試驗，該文對模型中所采用的土體的物理力學參數(shù)見表1。巖土體計算本構(gòu)采用摩爾-庫倫，錨桿選擇cable 單元進行模擬，計算本構(gòu)為線彈性。模型的邊界條件為底部約束3 個方向的自由度。左右兩側(cè)施加水平方向的約束，頂部為自由面。網(wǎng)格劃分總數(shù)為10 000 個，節(jié)點數(shù)為7800 個。圖2 為邊坡錨桿布置方式，錨桿共布置5 排。

圖2 邊坡錨桿布置方式

表1 材料力學參數(shù)

2.2 計算參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場取樣，在實驗室試驗，得到巖土體材料力學參數(shù)見表1。

表2 為該文采用錨桿的參數(shù)。

表2 錨桿參數(shù)

圖1 邊坡典型剖面圖

3 計算結(jié)果與分析

3.1 加固前后邊坡穩(wěn)定性

天然工況下，邊坡的穩(wěn)定性達不到規(guī)范要求。該項目采用錨桿對該路基邊坡進行加固。進一步對采用錨桿加固后的邊坡進行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，采用錨桿加固后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)提高至2.2，以未采用錨桿加固的穩(wěn)定性提高了80%。當錨固穿過滑面時，可以顯著提高抗滑作用力，提高土體的抗剪強度，阻止滑體發(fā)生破壞。此外，錨桿可以與周圍土體形成復合加筋土，也可以有效地提高邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 錨桿長度和傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究錨桿長度和錨桿傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響，該文計算了不同錨桿長度和不同錨桿傾角工況下邊坡的穩(wěn)定性，如圖3 和圖4 所示。圖3 結(jié)果表明，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨錨桿傾角的增大而先增大后變小。在錨桿長度分別5 m、6 m、7 m 和8 m，當錨桿傾角為0°時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.31、1.32、1.42 和1.57；當錨桿長度分別5 m、6 m、7 m 和8 m，當錨桿傾角為60°時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.61、1.54、1.50 和1.42?？傮w來看，當錨桿傾角為25°時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)達到最大。因此，在實際工程中，可將錨桿傾角20°～30°作為錨桿的最優(yōu)下傾角。

圖3 錨桿傾角對邊坡穩(wěn)定性

圖4 錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性

圖5 錨桿間距對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖4 結(jié)果表明，當錨桿長度為5 m，錨桿傾角為0°時，對應的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大值為1.35。邊坡的穩(wěn)定性隨錨桿的長度增大而增大。此外，根據(jù)圖6 結(jié)果可知，不同的錨桿長度所對應的最優(yōu)錨固角有所不同。以該文研究對象為例，當錨桿長度為5 m 時，對應的最佳傾角為40°，當錨桿長度為6m 時，對應的最佳傾角為30°，錨桿長度為7m 時，對應的最佳傾角為25°，當錨桿長度為8m 時，對應的最佳傾角為15°。

圖6 錨桿位置對邊坡穩(wěn)定性的影響

3.3 錨桿間距對邊坡穩(wěn)定性的影響

進一步研究不同組合中錨桿長度和錨桿傾角基錨桿間距對邊坡穩(wěn)定性的影響。圖5 為當錨桿間距不同時，錨桿長度與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系以及不同錨桿長度下錨桿間距與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。圖5（a）結(jié)果表明，在固定錨桿間距不變的情況下，邊坡的穩(wěn)定性隨錨桿的長度增大而先增大后變小。當錨桿長度不變時，不同的錨桿間距對應的邊坡穩(wěn)定系數(shù)最大值有所不同。以錨桿長度為7 m 為例，當錨桿間距為0.92 m 時，邊坡為穩(wěn)定系數(shù)為2.24；當錨桿間距為1.54 m 時，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為2.15；當錨桿間距為1.85 m時，邊坡為穩(wěn)定系數(shù)為2.08；當錨桿間距為2.3 m 時，邊坡為穩(wěn)定系數(shù)為1.95；當錨桿間距為3.1 m 時，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.76。

根據(jù)圖5（b）的結(jié)果，當錨桿長度小于7 m 時，邊坡的穩(wěn)定性隨錨桿間距增大而呈線性增大，當錨桿長度大于7 m時，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨錨桿間距增大而呈曲線增大。

為研究錨桿位置變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，該文分別在圖3 中分別改變錨桿位置進行研究。假設(shè)在邊坡的5 個位置設(shè)置單排錨桿，第一次計算假定只有一排錨桿，第二次計算有2 排錨桿，并以此類推。計算得到錨桿位置對邊坡穩(wěn)定性的影響結(jié)果如圖6 所示。結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，當錨桿位置由坡頂向下移動時，邊坡穩(wěn)定性先增大后變小，當錨桿位置在4#位置時，邊坡的穩(wěn)定性最大，穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.55、1.57、1.60、1.55 和1.46。綜合來看，對于單排錨桿，邊坡的穩(wěn)定性隨錨桿長度的增大而增大，而增大且當錨桿長度等于7 m 時，邊坡趨于穩(wěn)定，錨桿對邊坡穩(wěn)定性加固效果變?nèi)?。此外，根?jù)分析，在該文研究的范圍內(nèi)，當錨桿長度為7 m 且錨桿布置在坡腳中下部時，邊坡加固方案最優(yōu)。

4 結(jié)論

該文采用有限元方法研究了錨桿加固某路基邊坡的效應，并對錨桿參數(shù)進行計算，分析了錨桿對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下3 個結(jié)論：1）采用錨桿加固路基邊坡可以使邊坡的穩(wěn)定性顯著提高80%。當錨桿長度不變時，邊坡的穩(wěn)定性隨錨桿傾角的增大而先增大后變小且不同長度的錨桿對應的錨固角有所不同。2）當錨桿間距不變時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨長度增大先增大后變小，當錨桿長度等于7m 時，對應的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為臨界長度。3）錨桿布置在坡體中下部時對提高邊坡的穩(wěn)定性最優(yōu)。