王　博， 郭　昕， 葉　青， 馮小雨

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙　410114)

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龍永高速公路斷裂帶邊坡錨桿加固規(guī)律探究

王博1， 郭昕2， 葉青1， 馮小雨2

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙410114)

摘要：通過對龍永高速軟弱斷裂帶中典型失穩(wěn)邊坡進行研究，基于FLAC 3D對錨桿加固中錨桿長度和錨固角對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了計算分析；研究了最優(yōu)錨固角下錨桿長度變化對穩(wěn)定性的影響及錨桿軸力的分布規(guī)律，提出了最優(yōu)錨固角和最佳錨固長度的具體數(shù)值，并指出了加固中需要注意的關(guān)鍵部位，研究成果對錨桿加固設(shè)計、施工中的側(cè)重點有良好的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：邊坡； 軟弱斷裂帶； 錨桿加固； 最優(yōu)錨固角； 數(shù)值模擬

邊坡的加固措施一直是施工過程中相當(dāng)關(guān)注的問題，關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定性；錨桿加固作為一種常見的邊坡加固方式，因其具有對原坡體擾動小、施工速度快、成本低等優(yōu)點而廣為使用。但在施工過程中也存在有部分邊坡因勘察和設(shè)計失誤而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)引發(fā)垮塌的現(xiàn)象，因此優(yōu)化錨桿加固施工中的幾個工程參數(shù)可有效提升加固的處治效果[1，2]。

在以往的研究中，針對錨桿長度、錨固角的影響效果都有所研究，也提出了最佳錨固長度和最優(yōu)錨固角的概念；部分學(xué)者也研究過錨桿長度和坡率變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。在龍永高速施工中，部分邊坡因前期設(shè)計對軟弱結(jié)構(gòu)面影響考慮不足而出現(xiàn)了失穩(wěn)，在此前提下主要考慮使用錨桿加固的方式。因此，本文擬采用近年來巖土工程中使用較多的數(shù)值模擬方法建立計算模型，對錨桿長度和錨固角在軟弱斷裂帶典型邊坡的穩(wěn)定性中影響效果進行分析[3，4]。

1龍永高速公路斷裂帶邊坡特征分析

龍永高速走廊帶穿越了農(nóng)車斷裂帶，開挖成型的邊坡垮塌比例較高，通過對沿線邊坡進行調(diào)研分析可知：在進行調(diào)研的47座邊坡中，開挖后發(fā)生過垮塌的占38%，其中89.47%的垮塌邊坡進行過重新設(shè)計，造成該現(xiàn)象的主要原因有：

1) 沿線巖質(zhì)邊坡地處斷層碎裂帶邊緣，受地質(zhì)構(gòu)造影響顯著，巖體完整度較差，塊狀偏小，巖體風(fēng)化較嚴重，抗剪切強度較??；

2) 巖體以節(jié)理、裂隙發(fā)育的強風(fēng)化砂質(zhì)頁巖和粉質(zhì)粘土中夾強風(fēng)化頁巖塊石兩大類為主，強風(fēng)化層厚度大，巖質(zhì)較軟，整體結(jié)構(gòu)松散；

3) 開挖過程中，未采取防護加固措施，未能及時刷坡；

針對上述邊坡失穩(wěn)垮塌現(xiàn)象，后續(xù)設(shè)計主要做了兩方面調(diào)整： ①放坡，增大坡率； ②原植草防護變更為錨墩錨桿防護，本文主要對第2種方案進行研究。

2基于FLAC 3D研究方法概述

2.1邊坡計算模型

如圖1所示建立FLAC 3D模型，共4060個節(jié)點、1926個單元。坡高23 m，為二級邊坡，坡率均為1∶1。坡腳至左邊界的長度為10 m，坡頂至右邊界的長度為35 m。強度特征描述采用摩爾-庫倫模型，彈性模量為8 GPa，泊松比為0.25，粘聚力為15 kPa，內(nèi)摩擦角為24.48°，重度為28 kN/m3。

邊界條件為： 下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界；計算收斂準(zhǔn)則為不平衡比率滿足10-5求解要求；邊坡穩(wěn)定性系數(shù)采取強度折減法進行計算，并以計算是否收斂作為邊坡是否失穩(wěn)的判定依據(jù)。

圖1　錨桿加固邊坡數(shù)值模型

2.2錨桿的FLAC 3D模型

模擬計算采用錨桿單元(cable)進行，該單元主要通過幾何參數(shù)、材料參數(shù)和水泥漿特性來定義[5]。錨桿構(gòu)建在工作中可受拉、壓屈服，但不能抵抗彎矩。進行計算需要獲取的參數(shù)有：錨桿的橫截面積、錨桿的彈性模量、錨桿的拉伸屈服強度、錨桿的壓縮屈服強度、錨桿的外周長、水泥漿的剛度、水泥漿的粘聚力、水泥漿的摩擦阻力等。水泥漿剛度由實驗室通過拉拔試驗測得，粘結(jié)強度和摩擦角可以從不同圍壓條件下的拉伸試驗獲得，錨桿物理參數(shù)值如表1所示。

表1 錨桿物理力學(xué)參數(shù)彈性模量/GPa抗拉強度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)橫截面面積/mm2單位面積上水泥漿剛度/GPa單位長度水泥漿粘結(jié)力/kPa周長/mm200210267061.025430

3錨桿長度與錨固角組合對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

研究表明錨桿長度較短時，對穩(wěn)定性的增強效果隨長度的增加而增強，但當(dāng)達到一定長度后則增強效果并不明顯；錨固角的不同針對同一長度的錨桿，在加固效果上也有所區(qū)別。在加固設(shè)計中，上述兩個參數(shù)是設(shè)計的重點，可先對錨桿角進行確定，在最優(yōu)錨固角的前提下研究錨桿長度變化對邊坡的影響[6]。

在中國經(jīng)濟進入轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段，如何穩(wěn)健地實施貨幣政策，實現(xiàn)宏觀經(jīng)濟的穩(wěn)定增長，愈發(fā)受到人們的關(guān)注。然而，貨幣政策實施的效果，很大程度上取決于企業(yè)的行為反應(yīng)。正因如此，貨幣政策影響公司投資行為的研究成為近年來的熱點。

3.1最優(yōu)錨固角分析

以錨桿長度6、10、15 m為例，錨固角范圍為[0°，45°]，變化區(qū)間為5°，計算邊坡安全系數(shù)，計算結(jié)果如圖2所示。

圖2　錨桿傾角與安全系數(shù)關(guān)系曲線

由圖2可知： 錨桿長度分別為6、10和15 m時，隨錨固角增大，安全系數(shù)均呈先增大后減小的趨勢，可見存在最優(yōu)錨固角θ。當(dāng)錨桿傾角在[0°，25°]之間時，安全系數(shù)變化較緩慢，錨桿傾角對安全系數(shù)影響較??；傾角為10°時，安全系數(shù)達到最大峰值，最優(yōu)錨固角可采用10°左右的傾角。傾角在[30°，45°]之間時，安全系數(shù)急劇下降，錨桿的加固效果明顯減弱，因此錨桿進行邊坡工程加固時，不建議采用大于30°的錨固角?；谏鲜龇治?，本文在研究錨桿長度的影響時，最佳錨固角暫定為10°[7]。

3.2錨桿長度對加固效果影響

基于上述分析，當(dāng)錨固角取10°時對錨桿長度進行改變，并探求不同長度下邊坡穩(wěn)定性的變化情況。錨桿長度范圍為[6 m，22 m]，分別對7組不同錨桿長度下的邊坡安全系數(shù)進行計算，得到如圖3所示結(jié)果。

圖3　安全系數(shù)和錨桿長度的關(guān)系

由圖3所示變化規(guī)律可知：在6～15 m長度內(nèi)隨錨桿增長而穩(wěn)定系數(shù)增加，當(dāng)錨桿長度達到15 m，安全系數(shù)基本維持在1.44；10～12 m這一區(qū)間內(nèi)曲線斜率最大，說明此長度區(qū)間內(nèi)增長錨桿長度對提高穩(wěn)定系數(shù)效果最為明顯，而后增加幅度很小，18 m后呈下降趨勢?？梢婂^桿加固存在有效錨固長度，當(dāng)錨固角為10° 時錨桿的最佳錨固長度約為15 m。

4加固過程錨桿受力分析

以上文模型中邊坡為研究對象，基于前文研究成果，假定錨桿角為10°、錨桿長度在最佳錨固長度以內(nèi)，分析軸力與錨桿長度之間的關(guān)系。計算結(jié)果見圖4和表2所示。

圖4　錨桿軸力與錨桿長度關(guān)系

表2 軸力最大位置與錨桿長度關(guān)系m錨桿長度軸力最大位置64106157

由前文計算可知，當(dāng)錨固角為10°時錨桿的最佳錨固長度在15 m左右，因此采用6、10和15 m 3組長度進行計算，由圖4和表2可知：軸力沿錨桿方向呈先增大后減小的趨勢，錨桿軸力的最大值也隨長度的增加而增大，各曲線出現(xiàn)峰值前重合部分較多且出現(xiàn)峰值的位置隨錨桿長度的增加而逐漸接近，并最終在8 m附近。

此工況下3組錨桿軸力云圖如圖5～圖7所示。

圖5　錨桿長度6 m時錨桿軸力云圖

圖6　錨桿長度10 m時錨桿軸力云圖

圖7　錨桿長度15 m時錨桿軸力云圖

由上述3組工況的計算結(jié)果可知：

1) 沿邊坡垂直由上往下方向，錨桿內(nèi)軸力逐漸增大，一級坡錨桿軸力較二級坡錨桿軸力偏大；

2) 軸力沿錨桿方向分布不均勻，呈現(xiàn)兩端小中間大的特征且軸力最大值逐漸靠近錨頭位置，這是因為錨頭靠近邊坡潛在滑裂面，潛在滑裂面的剪切滑移引起錨桿的拉力達到最大值；

3) 邊坡底部錨桿對加固效果影響更大。

5結(jié)論

1) 龍永高速公路軟弱斷裂帶邊坡開挖高度普遍較低，但在初步設(shè)計中對其認知度不夠而未采取錨桿加固等更為有力的加固措施，導(dǎo)致加固效果并不佳，也為后續(xù)的施工提供了參考材料：軟弱斷裂

帶邊坡的穩(wěn)定性差，二級邊坡許多也需要進行錨桿加固處治。

2) 基于FLAC 3D進行錨桿加固參數(shù)與穩(wěn)定性關(guān)系分析可知，研究對象的最佳錨固角為10°、最優(yōu)錨固長度15 m，在此范圍內(nèi)隨錨桿長度的增加穩(wěn)定系數(shù)呈增長趨勢；龍永高速此類二級邊坡中建議采取錨固角不大于30°、錨桿長度在15 m以內(nèi)。

3) 通過錨桿軸力計算可知：邊坡底部錨桿對加固效果影響更大，因此施工中不可隨意減少底部錨桿的數(shù)量和長度，必要時還可增加底部錨桿的長度來提升加固效果。

參考文獻：

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[3] 劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 張玉燈.錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報，2009，31(3)：470-473.

[5] 林杭，鐘文文，熊威，等.錨桿長度與邊坡坡率對最優(yōu)錨固角的影響[J]. 巖土工程學(xué)報，2014，32(2)：7-9.

[6] 蔣明杰.錨桿(索)最佳錨固角的取值分析[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2013(3)：29-31.

[7] 唐湖北，蔣華春，黃偉.錨桿支護方式對邊坡穩(wěn)定性的影響研究[J]. 公路工程，2012，37(1)：62-64.

中圖分類號：U 416.1+4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0013-03

作者簡介：王博(1981-)，男，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

基金項目：①2012年度湖南省交通運輸廳科技進步與創(chuàng)新計劃：斷層軟弱結(jié)構(gòu)面高邊坡災(zāi)變防控及高邊坡建養(yǎng)一體光纖式智能監(jiān)控技術(shù)研究(201205)；②2015年長沙理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項目：基于建養(yǎng)一體的高邊坡光纖式智能監(jiān)控技術(shù)研究。

收稿日期：2016-01-04