，

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南焦作454000；2.河南省深部礦井建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南焦作454000)

0 引言

支護(hù)邊坡形狀各異、支護(hù)形式多種多樣，且受土體參數(shù)及地質(zhì)條件的影響，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算仍為巖土工程領(lǐng)域亟待解決的難題之一，其中最突出的問(wèn)題當(dāng)屬邊坡破壞模式及最危險(xiǎn)滑移面的確定。對(duì)于支護(hù)邊坡的破壞模式，目前研究結(jié)論主要反映在兩個(gè)方面，其一基于數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)結(jié)果推定破壞形態(tài)[1-2]，其二根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)失事案例分析破壞機(jī)理[3-4]。關(guān)于最危險(xiǎn)滑移面，專(zhuān)家學(xué)者做了大量研究和探索，主要通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法[5-7]和極限平衡分析法[8]求得邊坡滑移的位置及安全系數(shù)。

錨桿由自由段和錨固段兩部分組成，工作時(shí)對(duì)錨頭施加預(yù)應(yīng)力，借助于自由段鋼筋的回彈收縮，將端部應(yīng)力傳至后部土體，實(shí)現(xiàn)限制基坑變形、保證基坑整體穩(wěn)定的目的。目前，關(guān)于錨固長(zhǎng)度的研究文獻(xiàn)較多，林杭等[9]利用雙彈簧單元，通過(guò)改變錨桿長(zhǎng)度，研究邊坡安全系數(shù)及滑移面的變化規(guī)律，并探討錨桿的力學(xué)響應(yīng)；王洪濤等[10]從理論上推導(dǎo)了錨桿應(yīng)力分布規(guī)律，建立了不同錨固長(zhǎng)度巷道圍巖的力學(xué)分析模型，研究了不同錨固長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖的控制效果；曾憲明等[11]對(duì)錨固類(lèi)結(jié)構(gòu)桿體臨界錨固長(zhǎng)度確定的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和理論分析進(jìn)行分類(lèi)綜述；張杰等[12]采用理想彈塑性荷載傳遞函數(shù)，通過(guò)分析錨固長(zhǎng)度與極限承載力的關(guān)系，推導(dǎo)了錨桿臨界錨固長(zhǎng)度的解析公式。但有關(guān)錨桿自由段長(zhǎng)度的研究成果較為少見(jiàn)，規(guī)范對(duì)于自由段的規(guī)定僅限于“必須保證錨桿能夠錨固于比破壞面更深的穩(wěn)定土層中”，目前文獻(xiàn)主要集中于自由段長(zhǎng)度對(duì)支護(hù)效果的影響[13-16]，對(duì)邊坡滑移面和基坑安全系數(shù)影響的相關(guān)文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。

本文以深圳假日廣場(chǎng)典型實(shí)例為基礎(chǔ)，采用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型，保證錨固段長(zhǎng)度不變，通過(guò)改變錨桿自由段長(zhǎng)度，得到各工況的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，以分析邊坡漸近破壞特點(diǎn)并總結(jié)滑移失穩(wěn)機(jī)制。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地支護(hù)剖面圖Fig.1 Supporting profile of test site

1 數(shù)值模型

1.1 計(jì)算模型的建立

深圳假日廣場(chǎng)南側(cè)的基坑深14.35 m，采用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘埋設(shè)于第1，2，4，6，8，9，10排，長(zhǎng)度分別為8，8，12，8，8，8，6 m；預(yù)應(yīng)力錨桿埋設(shè)于第3，5，7排，由上到下自由段長(zhǎng)度均為5m，錨固長(zhǎng)度分別為13，12，11 m，預(yù)應(yīng)力均為200 kN。試驗(yàn)場(chǎng)地支護(hù)剖面如圖1所示。

1.2 本構(gòu)模型與土體參數(shù)的選取

① 本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb。模擬時(shí)保持土體強(qiáng)度參數(shù)c，φ不變、逐層增大土體彈性模量E，以克服該模型不能考慮土體回彈的缺點(diǎn)。

② 依據(jù)地勘報(bào)告，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Parameters of soils

③ 錨桿自由段鋼筋的參數(shù)取值為E=195 GPa，ν=0.28；錨桿錨固段、土釘錨固體及混凝土面層的參數(shù)取值為Eeq=28 GPa，ν=0.16。

2 計(jì)算結(jié)果與分析討論

數(shù)值模擬時(shí)，保持基本模型中各排錨桿的預(yù)應(yīng)力及錨固長(zhǎng)度不變，將錨桿自由段長(zhǎng)度從1 m按照△=2 m逐漸增加，直至11 m，得到各工況下等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖2所示。

(a)Lf=1 m

(c)Lf=5 m

(e)Lf=9 m

圖2各工況下的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D
Fig.2Equivalentplasticstrainclouddiagramundervariousworkingconditions

從圖2(a)～(f)可以看出：當(dāng)錨桿自由段很短時(shí)(Lf=1 m)，等效塑性應(yīng)變?cè)茍D所顯示的潛在滑移面光滑連續(xù)，為穿過(guò)三排錨桿尾端的圓弧形，類(lèi)似于純土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)自由段長(zhǎng)度較短時(shí)(Lf=3 m、5 m)，邊坡滑移面逐漸變得彎折甚至錯(cuò)層，演變?yōu)榻?jīng)過(guò)三排錨桿尾端的上部滑移面與通過(guò)坡腳下方一定深度的下部滑移面。Lf=5 m時(shí)的滑移面相對(duì)于Lf=3 m，上部的滑移面更弱，下部的滑移面更強(qiáng)。當(dāng)自由段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)(Lf=7 m、9 m)，上部經(jīng)過(guò)錨桿尾端的塑性區(qū)繼續(xù)變?nèi)?，而下部通過(guò)坡腳下方一定深度的區(qū)域演變?yōu)榛邮Х€(wěn)破壞時(shí)主要的塑性區(qū)。當(dāng)自由段長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)(Lf=11 m)，貫穿錨桿尾端的潛在滑移面幾乎全部消失，通過(guò)坡腳下方的潛在滑移面急速向上發(fā)展，并朝向坑內(nèi)移動(dòng)，形成光滑連續(xù)的圓弧形，直至坡頂。

圖3 自由段長(zhǎng)度與滑移面的關(guān)系Fig.3 Relationship of unbounded length and sliding surface

為更清楚地研究邊坡滑移面隨錨桿自由段長(zhǎng)度的變化規(guī)律，將圖2中各工況下的邊坡潛在滑移面描線繪制于模型坐標(biāo)系中，如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)錨桿自由段長(zhǎng)度從1 m增至3 m，從3 m增至5 m時(shí)，基坑潛在滑移面勻速穩(wěn)步地朝坑外移動(dòng)，滑移面積增大，破壞模式由淺層滑動(dòng)轉(zhuǎn)為深層滑動(dòng)。隨著自由段長(zhǎng)度的繼續(xù)變大，當(dāng)Lf=7 m時(shí)，邊坡滑移面突然發(fā)生反向位移，開(kāi)始朝向坑內(nèi)移動(dòng)，且位移量較大，滑移面通過(guò)下部三排土釘尾端，上部滑移面變得不再明顯，塑性區(qū)集中于坡腳以下一定深度的范圍；當(dāng)自由段長(zhǎng)度增至11 m時(shí)，邊坡滑移面繼續(xù)前移，靠近坡面，完整連續(xù)，穿過(guò)第4排土釘。這是因?yàn)?，隨著錨桿自由段長(zhǎng)度的不斷變大，鋼筋的彈性回彈量逐漸增加，向后傳遞約束的能力越強(qiáng)，此時(shí)朝向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)小于朝向坑外移動(dòng)的趨勢(shì)，從而使邊坡滑移面穩(wěn)步后移；當(dāng)自由段長(zhǎng)度達(dá)到一定范圍后，相對(duì)錨固段變短，錨固體與周?chē)馏w間的摩阻力減弱，使得朝向坑內(nèi)移動(dòng)的安全系數(shù)變小，潛在滑移面開(kāi)始朝向坑內(nèi)移動(dòng)，直至到達(dá)臨坡面。

3 滑移面的演化規(guī)律

受地層條件和支護(hù)方式的影響，基坑滑移面剪出口并不一定通過(guò)坡腳處，如圖2(a)～(f)所示，而是穿過(guò)坡腳下一定位置。這是因?yàn)?，基于MIDAS提供的強(qiáng)度折減法，當(dāng)邊坡未支護(hù)時(shí)，滑移面較小，剪出口基本通過(guò)坡腳；施作土釘或錨桿后，支護(hù)構(gòu)件的約束作用使得滑移面向土體深部轉(zhuǎn)移，滑移面積增大，剪出口穿過(guò)坡腳下一定位置，通常位于距基坑底部H/3區(qū)域。

此試驗(yàn)滑移面位置與形狀不同，主要原因在于錨桿的自由段長(zhǎng)度不同。根據(jù)錨桿受力特點(diǎn)，可以根據(jù)錨桿中性點(diǎn)的位置確定滑移面的位置和形狀。當(dāng)錨桿自由段長(zhǎng)度變化時(shí)，向后傳遞預(yù)應(yīng)力的范圍及錨桿錨固作用發(fā)揮度均存在差別。根據(jù)摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則:

抗剪強(qiáng)度(σ1-σ3)f與圍壓σ3呈線性關(guān)系：當(dāng)圍壓σ3增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度(σ1-σ3)f隨之增大，滑移面向土體深部后移，滑移面積增大，抗滑力增大，支護(hù)邊坡更穩(wěn)定。

錨桿錨固作用的發(fā)揮通過(guò)錨固體與周?chē)馏w之間的摩阻力實(shí)現(xiàn)，摩阻力通常采用平均摩阻力，由相鄰兩點(diǎn)的應(yīng)變值求得，即：

式中，τi為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)之間的平均摩阻力，D為錨固體直徑，Δx為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)之間的距離，Pj，Pj+1為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)的錨桿軸力。

根據(jù)胡賀松等[17]對(duì)圍壓和極限錨固力關(guān)系的研究結(jié)論，圍壓的增加能夠增大錨桿與周?chē)馏w之間的摩阻力，但達(dá)到一定程度后，對(duì)摩阻力的影響不大。

當(dāng)錨桿自由段很短時(shí)，錨固段前端可能位于不穩(wěn)定的滑動(dòng)土體中，施加的預(yù)應(yīng)力會(huì)被不穩(wěn)定土體消耗掉，使得預(yù)應(yīng)力損失較大，圍壓較小，抗剪強(qiáng)度較小，滑移面比較靠前。隨著錨桿自由段長(zhǎng)度的逐漸增大，錨固段全部位于穩(wěn)定土體中，預(yù)應(yīng)力損失變小，圍壓增大，抗剪強(qiáng)度增大，滑移面開(kāi)始后移。當(dāng)錨桿自由段很長(zhǎng)時(shí)，錨固段產(chǎn)生的摩阻力變小，其結(jié)果必然影響到圍壓的發(fā)揮，使得滑移面積減小，滑移面開(kāi)始反向前移直至臨坡面。

4 結(jié)論

以深圳假日廣場(chǎng)典型實(shí)例為基礎(chǔ)，保證錨桿錨固段長(zhǎng)度及預(yù)應(yīng)力水平不變，僅改變錨桿自由段長(zhǎng)度，研究了土體滑移面的變化規(guī)律并探討了滑移機(jī)制，結(jié)果表明：①隨著錨桿自由段長(zhǎng)度的逐漸增加，錨桿尾端的塑性區(qū)逐漸變?nèi)?，塑性區(qū)集中于坡腳下一定深度的區(qū)域。②隨著錨桿自由段長(zhǎng)度的逐漸增加，基坑滑移面先是朝著坑外移動(dòng)，而后發(fā)生突變，迅速向坑內(nèi)遷移。③當(dāng)自由段較短時(shí)，圍壓受預(yù)應(yīng)力損失影響較大，滑移面臨近坡面；當(dāng)自由段較長(zhǎng)時(shí)，圍壓受錨桿錨固作用的發(fā)揮度影響較大，滑移面反向遷移。④自由段鋼筋與周?chē)馏w無(wú)黏結(jié)，且錨桿張拉產(chǎn)生的反向應(yīng)力會(huì)弱化周?chē)玲斉c土體間的摩阻力，所以錨桿的自由段長(zhǎng)度存在一個(gè)有效值。