順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

邱慧 呂振雷

收稿日期：2024-01-17

作者簡介：邱慧（1992—），女，碩士研究生，工程師，研究方向：交通工程。

摘要 為研究順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，文章以某順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析了開挖過程中坡腳水平位移、豎向位移及邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，比較邊坡錨桿支護(hù)時機(jī)對安全系數(shù)的影響，最后分析不同錨桿長度、錨桿傾角條件下，邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：（1）隨著邊坡的開挖，坡腳處水平位移、豎向位移均在不斷增大；坡腳水平位移曲線斜率在逐漸增大，坡腳豎向位移曲線斜率在逐漸減??；（2）錨桿長度對邊坡安全系數(shù)的增大效果為先增大后減??；（3）錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)的減小效果呈“M”形。

關(guān)鍵詞 順層巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定性；支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；數(shù)值模擬

中圖分類號 TU472文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0098-03

0 引言

已有研究表明順層滑坡作為最為常見的滑坡類型，對附近基礎(chǔ)交通設(shè)施、結(jié)構(gòu)、人民群眾等存在極大的安全隱患[1]。實(shí)際工程中常使用經(jīng)濟(jì)、有效的錨桿加固方案，但錨固順序、錨桿參數(shù)等均對錨固效果存在較大影響[2]。因此，亟須開展順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及錨桿支護(hù)效果的研究。

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及錨桿支護(hù)效果進(jìn)行了一系列研究，王發(fā)玲等[3]基于彈性力學(xué)及結(jié)構(gòu)力學(xué)，研究了邊坡巖體及錨桿的相互作用及加固機(jī)制，并提出了新的錨桿加固順層邊坡的力學(xué)模型；王偉等[4]基于FLAC3D有限元軟件，研究了錨桿長度、錨固傾角和注漿體黏結(jié)強(qiáng)度對順層巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響；龔文惠等[5]基于ANSYS軟件，分析了錨桿支護(hù)前后順層巖體邊坡內(nèi)部應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性等的變化規(guī)律。綜上所述，順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較差，需對其進(jìn)行加固治理；錨桿作為常見的邊坡支護(hù)措施，具有經(jīng)濟(jì)、簡便等優(yōu)點(diǎn)，但錨桿長度、傾角等會影響支護(hù)效果。

鑒于此，該文以某順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析開挖過程中坡腳水平位移、豎向位移及邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，比較邊坡錨桿支護(hù)時機(jī)對安全系數(shù)的影響，最后分析不同錨桿長度、錨桿傾角條件下，邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。

1 工程概況

某順層巖質(zhì)邊坡巖石主要為第四系和前寒武系地層，7—9月份降雨較多。該邊坡為順層邊坡，中間存在一條軟弱夾層，易發(fā)生滑坡。項(xiàng)目擬設(shè)置6級邊坡，并用錨桿進(jìn)行加固。

2 數(shù)值模型的建立

該文以某順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，建立數(shù)值模型，如圖1所示：

圖1 ABAQUS邊坡數(shù)值模型

由圖1可知，模型高為120 m，下底面寬為350 m，上頂面寬為150 m，距坡腳100 m。邊坡分六級開挖，開挖順序、坡率、坡高分別為：開挖6級邊坡，坡率為1∶1.5，坡高為10 m；開挖5級邊坡，坡率為1∶1.5，坡高為10 m；開挖4級邊坡，坡率為1∶1，坡高為10 m；開挖3級邊坡，坡率為1∶1，坡高為10 m；開挖2級邊坡，坡率為1∶0.75，坡高為10 m；開挖1級邊坡，坡率為1∶0.75，坡高為10 m。錨桿直徑為28 mm，長為24 m，錨固傾角為25 °，錨桿間距為2.5 m。軟弱夾層厚為1 m，軟件采用強(qiáng)度折減法計算邊坡安全系數(shù)。模型結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示：

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu) 彈性模量/

MPa 泊松比 容重/

（kN/m3） 黏聚力/

kPa 摩擦角/°

巖體 3 000 0.3 25 500 30

軟弱夾層 1 000 0.35 15 50 20

錨桿 200 000 0.25 80 — —

3 結(jié)果分析

3.1 邊坡開挖分析

邊坡分級開挖過程中，邊坡坡腳的位移變化如圖2所示：

圖2 邊坡開挖過程中坡腳位移變化圖

由圖2可知，隨著邊坡的開挖，坡腳處水平位移、豎向位移均在不斷增大；坡腳水平位移的曲線斜率在逐漸增大，坡腳豎向位移的曲線斜率在逐漸減小。開挖過程中，坡腳處水平位移變化分別為：31.25%（5級邊坡開挖后）＜71.43%（4級邊坡開挖后）＜86.11%（3級邊坡開挖后）＜170.15%（2級邊坡開挖后）＜300.55%（1級邊坡開挖后）。坡腳處豎向的位移變化分別為：118.92%（5級邊坡開挖后）＞43.62%（4級邊坡開挖后）＞23.5%（3級邊坡開挖后）＞13.46%（2級邊坡開挖后）＞10.84%（1級邊坡開挖后）。在開挖到2級邊坡前，坡腳處豎向位移遠(yuǎn)大于坡腳水平位移，每級邊坡開挖后豎向位移分別是水平位移的6.94倍（6級邊坡）、11.57倍（5級邊坡）、9.7倍（4級邊坡）、6.46倍（3級邊坡）、2.7倍（2級邊坡）。1級邊坡開挖后，坡腳水平位移是坡腳豎向位移的1.34倍。

邊坡開挖過程中，每級邊坡對應(yīng)下的邊坡安全系數(shù)如圖3所示。

由圖3可知，邊坡安全系數(shù)先增大后減小。6級邊坡開挖后，邊坡安全系數(shù)為1.25；4級邊坡開挖后，邊坡安全系數(shù)增大到1.39，較6級邊坡開挖后邊坡安全系數(shù)增大了11.2%；1級邊坡開挖后，邊坡安全系數(shù)減小到0.99，較4級邊坡開挖后邊坡安全系數(shù)減小了28.78%，可能與4級邊坡的坡率從1∶1.5變大為1∶1有關(guān)。

3.2 邊坡開挖錨固方案比選

已知在邊坡后期開挖過程中，邊坡安全系數(shù)的不斷減小，故需對邊坡進(jìn)行加固。該文設(shè)置了4種加固方案：方案1（開挖完六級邊坡后再錨固）、方案2（開挖三級邊坡，錨固三級邊坡）、方案3（開挖二級邊坡，錨固二級邊坡）、方案4（開挖完一級邊坡，錨固一級邊坡）。4種錨固方案與不進(jìn)行錨固的邊坡安全系數(shù)如圖4所示。

圖3 邊坡開挖過程中邊坡安全系數(shù)變化圖

圖4 不同錨固方案邊坡安全系數(shù)變化圖

由圖4可知，方案1的邊坡安全系數(shù)與開挖不錨固基本吻合。在開挖完1級邊坡后，開挖不錨固方案的邊坡安全系數(shù)為0.99；而方案1的邊坡安全系數(shù)從1.22增大到1.382，增大了13.28%，較不錨固增大了39.6%。

方案2在5、6級邊坡開挖后的邊坡安全系數(shù)與開挖不錨固、方案1吻合；從4級邊坡開挖后，邊坡安全系數(shù)大于開挖不錨固、方案1，此時邊坡安全系數(shù)分別為1.45（方案2）、1.39（開挖不錨固、方案1），增大了4.32%；而后開挖2、3級邊坡，安全系數(shù)下降到1.32，較4級邊坡錨固后減小了8.97%；開挖完1級邊坡并錨固后，邊坡安全系數(shù)增大到1.382，與方案2邊坡安全系數(shù)一致，較開挖2級邊坡后增大了4.7%。

方案3在開挖5級邊坡并錨固后，邊坡安全系數(shù)從1.24增大到1.39，增大了12.1%；而后開挖4級邊坡不錨固，邊坡安全系數(shù)增大到1.42，增大了2.16%，較方案2減小了2.07%，較方案1增大了2.16%；開挖3級邊坡并錨固后，邊坡安全系數(shù)增大到1.46，增大了2.82%，較方案2增大了5.04%，較方案1增大了8.15%，較開挖不錨固增大了8.15%；開挖2級邊坡后，邊坡安全系數(shù)減小到1.36，減小了6.85%，較方案2增大了3.03%，較方案1增大了11.48%；開挖1級邊坡并錨固后，邊坡安全系數(shù)增大到1.382。

方案4的邊坡安全系數(shù)每一級邊坡開挖后均為最大，從6級邊坡開挖并錨固到3級邊坡開挖并錨固，安全系數(shù)從1.28增大到1.46；從3級邊坡開挖并錨固到1級邊坡開挖并錨固，安全系數(shù)從1.46減小到1.382。整體而言，方案3較為經(jīng)濟(jì)、安全。

3.3 邊坡開挖錨固方案優(yōu)化

錨桿錨固效果與錨固長度、錨固傾角等均有關(guān)，為分析錨桿長度對邊坡安全系數(shù)的影響，該文設(shè)置了5種長度梯度：16 m、18 m、20? m、22 m、24 m。邊坡安全系數(shù)隨錨固的長度變化如圖5所示。

圖5 錨固長度對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖5可知，邊坡安全系數(shù)隨錨桿長度的增加在逐漸增大。邊坡安全系數(shù)分別為1.55（錨桿長度為24 m）、1.52（錨桿長度為22 m）、1.44（錨桿長度為20 m）、1.28（錨桿長度為18 m）、1.16（錨桿長度為16 m）。較16 m相比，錨桿長度對邊坡安全系數(shù)的增大效果分別為：5.17%/m（錨桿長度為18 m）、7%/m（錨桿長度為20 m）、5.17%/m（錨桿長度為22 m）、4.2%/m（錨桿長度為

24 m），說明錨桿長度對邊坡安全系數(shù)的增大效果為先增大后減小。

錨桿傾角在工程中規(guī)定為15 °～35 °，故該文設(shè)置了5種傾角梯度：15 °、20 °、25 °、30 °、35 °。邊坡安全系數(shù)隨錨桿傾角的變化如圖6所示。

由圖6可知，邊坡安全系數(shù)隨錨桿傾角的增大在逐漸減小。邊坡安全系數(shù)分別為1.64（錨桿傾角為15 °）、1.6（錨桿傾角為20 °）、1.55（錨桿傾角為25 °）、1.47（錨桿傾角為30 °）、1.36（錨桿傾角為35 °）。較傾角15 °相比，錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)的減小效果分別為：2.44%/5 °（錨桿傾角為20 °）、2.74%/5 °（錨桿傾角為25 °）、3.46%/5 °（錨桿傾角為30 °）、4.27%/m（錨桿傾角為35 °），說明錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)的減小效果呈“M”形。

圖6 錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)的影響

4 結(jié)論

該文以某順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件，分析開挖過程中坡腳水平位移、豎向位移及邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律；比較邊坡錨桿支護(hù)時機(jī)對安全系數(shù)的影響；最后分析不同錨桿長度、錨桿傾角條件下，邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

（1）隨著邊坡的開挖，坡腳處水平位移、豎向位移均在不斷增大；坡腳水平位移曲線斜率在逐漸增大，坡腳豎向位移曲線斜率在逐漸減??；邊坡安全系數(shù)先增大后減小。

（2）隨著邊坡錨固的頻繁，邊坡安全系數(shù)呈上升趨勢，其中邊開挖邊錨固的邊坡安全系數(shù)最大。

（3）邊坡安全系數(shù)隨錨桿長度的增加在逐漸增大；錨桿長度對邊坡安全系數(shù)的增大效果為先增大后減小。

（4）邊坡安全系數(shù)隨錨桿傾角的增大在逐漸減??；錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)的減小效果呈“M”形。

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