漣鋼冷軋主廠房邊坡穩定性分析與錨固系統效果評價

蔣志新+呂平波

【摘要】通過對漣鋼冷軋主廠房邊坡的地質情況調查研究，用ANSYS有限元軟件對邊坡的穩定性情況進行了模擬分析，根據分析結果和邊坡具體情況，設計采用預應力錨索加網格梁加固方案。然后對其進行邊坡加固，并對加固效果和錨索的受力情況進行了模擬分析，分析結果證明加固效果良好。

【關鍵詞】錨桿（索）；ANSYS有限元；錨固系統；影響因素

LIANGANG cold rolling plant main slope stability analysis and evaluation of the effect of anchoring systems

Jiang Zhi-xin，Lv Ping-bo

（Nuclear Industry Geological Bureau of Hunan Province， 303 Brigade Changsha Hunan 410000）

【Abstract】LIANGANG rolled through the main plant Slope geology research， using ANSYS finite element software for slope stability conditions were simulated and analyzed， according to the results of the analysis and the specific circumstances of the slope， designing prestressed anchor Mississauga net grid beam reinforcement program. Then its slope reinforcement， and reinforcement effect and anchor the force carried out a simulation analysis and the results prove that the reinforcement effect is good.

【Key words】Bolt （Cable）；ANSYS finite element；Anchoring system；Factors

1. 引言

漣鋼冷軋主廠房為湖南省重點建設項目，該主廠房工程建筑面積約90000m2 ，由12 個布置合理的縱橫跨間組成，均采用全鋼剛架結構，最大跨度 36m，基本柱距 12m，最大柱距 36 m，廠房高度 20m～42m；柱子采用階形柱，上柱為焊接“H”型鋼，下柱為鋼管砼格構柱；吊車梁為實腹式焊接“H”型鋼梁， 高度1200mm～3000mm，最高軌面標高17.5m。廠房沿線地形起伏較大，坡角陡，一般50°左右，出露以泥灰巖為主，巖體風化程度普便較大。所以，邊坡的穩定性對廠房的安全至關重要。因此，研究此類邊坡的穩定性，對于設計和施工有非常重要的現實意義^[1]。

2. 風化巖體邊坡的特點

（1） 風化殘積層。

該層厚度不大，大多數地段基巖裸露，出露覆蓋層主要為沉積物，巖性上部主要是 （含礫）低液限粘（粉）土，褐黃色、土黃色、灰黃色等，可塑～硬塑狀，礫質成份主要為硅化巖角礫，粒徑0.5～2cm，次棱角～次圓狀，含量約占25～35%左右，層厚0～5.85m，分布于山坡坡腳地段。

（2）泥灰巖。

青灰色、灰色，泥中厚層薄層狀，巖質較軟，易風化。

全風化層：巖性已全風化成碎石土組成，層厚0～2.5m。

強風化層：節理裂隙較發育，巖芯破碎，呈碎塊狀，層厚0～2.5m。

中風化層：節理裂隙發育，巖石相對較硬，鉆孔巖芯較完整，多呈短柱狀。

經原位測試、室內試驗、并參考有關規范規程結合當地工程經驗，推薦各工程地質分區的主要巖土力學指標值如表1所示^[1]。

3. 風化巖體對邊坡穩定性的影響

3.1 由于風化巖體結構的破壞，從很多方面降低了邊坡的穩定性，具體可從以下幾個方面來分析[2～3]。

（1） 透水性能增加，抗剪強度降低，從而降低了邊坡的穩定性。

在泥灰巖中，由于各礦物顆粒的膨脹率各異。當風化作用導致其不均勻的膨脹和收縮；或者由于水的溶蝕、水解巖中某些可溶物質，都將削中和破壞巖石中礦物顆粒之間的聯結，導致巖石力學性能降低，特別是巖石的透水性能增大，抗剪強度降低。

（2）形成和加劇的巖體裂隙，導致軟弱結構面的產生，從而影響邊坡的穩定性。

由于風化作用，使巖體沿著已有的聯結比較軟弱的地方，如未裂開的層理、片理、劈理方向上，礦物結晶顆粒之間的結合面上，以及在礦物結晶顆粒解理方向上，形成新的裂隙。或對原有裂隙進一步加深、增寬、延伸和擴大。這種形成或加劇巖體裂隙的作用，主要是由于水的楔入作用和凍脹作用。

3.2 在邊坡開挖后，通過對現場工程地質情況的調查，發現在強風化帶、中風化帶中巖體裂隙較為發育，裂隙面傾角較陡，裂面多呈閉合狀，且裂隙中多有泥質膠結的充填。幸運的是沒有一組節理傾向與邊坡的臨空面傾向一致^[4]。

4. 邊坡開挖有限元計算

（1）本文利用ANSYS有限元軟件對開挖后的邊坡的坡面進行穩定性驗算，通過驗算結果了解開挖后邊坡的穩定性情況。圖1為邊坡開挖前和開挖后的整體模型和網格劃分。

（2）模型采用D-P屈服準則。建立模型時，先生成加固錨索所在位置的關鍵點和節點，然后再根據節點建立錨索單元，采用beam3二維梁單元來模擬錨索，這樣可以得到錨索所受到的軸力和剪力，整個支護結構共有12根錨索。然后再建立臺階處的關鍵點，生成臺階處的網格梁單元，根據加固設計的情況整個模型共建立了5個臺階，因為網格梁可以看作是柔性支護結構，所以也可以采用beam3二維梁單元來進行模擬。接下來，再建立邊坡的坡面曲線和坡體的面，在此過程中生成開挖時需要殺死的單元的面，這樣就可以方便的通過生死單元來模擬邊坡的逐級開挖的過程了^[5]。endprint

（3）計算模型經過分臺階開挖荷載逐步釋放的計算后，可以看到在未進行任何有效的支護的情況下邊坡開挖后的位移和受力情況，圖2為邊坡在分臺階開挖完成之后的豎向位移圖。從圖中可以看出，在開挖之后邊坡有明顯的向下滑動趨勢，邊坡的豎向位移最大值達到7.13cm。從圖中還可以清楚地看出，如果步對開挖的邊坡進行相應地支護措施，則由于邊坡的滑移還會引起了左側向上隆起，隆起量可以達到將近20cm。

（5）從圖4邊坡的總的位移矢量圖中我們也能很清楚的看出，邊坡在沒有有效的支護的情況下，即便是分多臺階進行開挖也會對整個邊坡造成很大的擾動，使邊坡產生明顯的滑移。另外還可以從位移的云圖中看出邊坡單元的運動趨勢呈圓弧狀破壞。

5. 邊坡加固設計與穩定性分析

（1）坡面每10m高設一臺階，臺階寬2m，上設截水溝。在邊坡穩定性系數不足1.2的斷面之間以3.5～5m間距，沿坡面布置規格400×400mm的地梁， 每根地梁安裝3根預應力錨索。第一級坡面的地梁之間漿砌片石窗式護坡，窗內漿砌片石造景。從第二級至第三級坡面的地梁之間漿砌片石窗式護坡，巖層內安裝泄水管，窗內坡面栽植灌木和植草。第四級至第五級坡面強風化層較厚，為了防止地表水滲入巖層，造成巖層軟化，采取先在巖層內注漿封閉透水層，再在坡面栽植灌木和植草。其布置如表2所示^[6]。

（3）如圖5邊坡加固后的豎向位移云圖所示，在對邊坡進行的相應的加固措施之后，邊坡的豎向位移有顯著的減小，邊坡的豎向滑移最大值減小到了2.92cm，左側向上隆起位移最大值也減小到了8.57cm。對邊坡的水平位移而言，加固后與加固前相比，也可以清楚的看出，加固后的邊坡水平向位移也有很明顯的減小。邊坡水平位移的最大值由加固前的21.7cm減小到了6.90cm，而且邊坡左側的水平位移最大值也由邊坡加固前的10.5cm減小到了加固后的4.35cm。由這兩個數據的對比我們可以清楚的看出，邊坡的滑動在加固后得到了明顯的控制（邊坡加固后的水平向位移云圖見圖6）。

（4）圖7為加固后的邊坡的總的位移矢量圖，從圖中我們也能很清楚的看出，邊坡在進行了有效的支護的情況下，整個邊坡的變形得到了很好的控制。綜合邊坡的豎向位移和水平位移以及總的位移，可以說這次加固就本邊坡而言還是比較成功的。

（5）對于錨索（桿）的具體受力情況，我們同樣在進行每步的開挖運算之后，給出錨索在工作狀態時的軸力和剪力的分布圖，如圖8a和圖8b所示。對于網格梁的具體受力情況，我們同樣在進行每步的開挖運算之后，給出網格梁在工作狀態時的軸力和剪力的分布圖，在本文的分析中是選用ANSYS的二維梁單元beam3來對網格梁進行模擬分析的，網格梁的受力情況如圖8c所示。

6. 結論

本章通過對邊坡的地質情況調查，參考相關的資料，對其邊坡的情況進行了描述，同時選取了相關的一些參數。然后通過ANSYS有限元程序對其邊坡的穩定性情況進行了模擬分析，分析邊坡在開挖后的位移情況，說明邊坡處于不穩定狀態。根據邊坡穩定性的分析結果，確定了預應力錨索加地格梁的加固方案，并通過有限元方法驗證了此加固方案是合理和有效的。隨后又對影響邊坡錨固效應和錨固支護效果的因素進行了分析研究，并對支護系統的受力進行了分析。提出理論一些對工程有指導意義的方法和措施，但是巖土錨固問題對于不同的工程還需要因地制宜進行合理有效的分析和評價。

（6）從上圖的邊坡支護系統的受力情況可以清楚地看出，錨桿對邊坡的滑動起到了很好的抑制作用，錨索（桿）的應力最大值為0.55MPa，位于第9根錨桿的后端位置。從錨索（桿）的受力特點看，錨索（桿）的受力集中在錨桿的中部，呈現中部大，兩端小的情況。另外，在下部的幾根錨索（桿）的里端，出現了受拉的情況，受拉的拉應力值不大。對整個邊坡的穩定性沒有影響。從圖中還可以看出，錨索的軸力和剪力沿錨索全長呈非線性分布，但由于它隨著巖體變形而變化，所以要給出它的軸力和剪力的簡單計算公式或實測值是很困難的^[9]。文獻^[10]中也給出了錨桿在工作時和拉拔試驗時受力的分布情況，與本次模擬的結果比較一致，也說明了本邊坡的分析是比較符合實際的。

參考文獻

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[2] 張發明，邵蔚俠. 巖質高邊坡預應力錨固問題研究. 河海大學學報，2009年 第27卷 第6期 73～76.

[3] 陳衛忠，朱維申. 節理巖體加固效果及其在邊坡工程中的應用. 勘察科學技術，2011. 1： 3～6.

[4] 郝文化. ANSYS土木工程應用實例[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2009.

[5] 交通部第二公路勘察設計院. 路基. 北京：人民交通出版社，2006.5： 40～60.

[6] 張宏博，李英勇，宋修廣. 邊坡錨固工程中錨索預應力的變化研究. 山東工學學報（工學版），2002.12： 575～578.

[7] 馮文學. 預應力錨索在路基邊坡加固施工中的應用. 山西建筑， 2003.5： 233～234.

[8] 孫玉科，牟會寵，姚寶魁. 邊坡巖體穩定性分析. 科學出版社，2008： 95～120.

[9] 陸士良，湯雷，楊新安. 錨桿錨固力與錨固技術. 煤炭工業出版社，2008.11：138～1.endprint

（3）計算模型經過分臺階開挖荷載逐步釋放的計算后，可以看到在未進行任何有效的支護的情況下邊坡開挖后的位移和受力情況，圖2為邊坡在分臺階開挖完成之后的豎向位移圖。從圖中可以看出，在開挖之后邊坡有明顯的向下滑動趨勢，邊坡的豎向位移最大值達到7.13cm。從圖中還可以清楚地看出，如果步對開挖的邊坡進行相應地支護措施，則由于邊坡的滑移還會引起了左側向上隆起，隆起量可以達到將近20cm。

（5）從圖4邊坡的總的位移矢量圖中我們也能很清楚的看出，邊坡在沒有有效的支護的情況下，即便是分多臺階進行開挖也會對整個邊坡造成很大的擾動，使邊坡產生明顯的滑移。另外還可以從位移的云圖中看出邊坡單元的運動趨勢呈圓弧狀破壞。

5. 邊坡加固設計與穩定性分析

（1）坡面每10m高設一臺階，臺階寬2m，上設截水溝。在邊坡穩定性系數不足1.2的斷面之間以3.5～5m間距，沿坡面布置規格400×400mm的地梁， 每根地梁安裝3根預應力錨索。第一級坡面的地梁之間漿砌片石窗式護坡，窗內漿砌片石造景。從第二級至第三級坡面的地梁之間漿砌片石窗式護坡，巖層內安裝泄水管，窗內坡面栽植灌木和植草。第四級至第五級坡面強風化層較厚，為了防止地表水滲入巖層，造成巖層軟化，采取先在巖層內注漿封閉透水層，再在坡面栽植灌木和植草。其布置如表2所示^[6]。

（3）如圖5邊坡加固后的豎向位移云圖所示，在對邊坡進行的相應的加固措施之后，邊坡的豎向位移有顯著的減小，邊坡的豎向滑移最大值減小到了2.92cm，左側向上隆起位移最大值也減小到了8.57cm。對邊坡的水平位移而言，加固后與加固前相比，也可以清楚的看出，加固后的邊坡水平向位移也有很明顯的減小。邊坡水平位移的最大值由加固前的21.7cm減小到了6.90cm，而且邊坡左側的水平位移最大值也由邊坡加固前的10.5cm減小到了加固后的4.35cm。由這兩個數據的對比我們可以清楚的看出，邊坡的滑動在加固后得到了明顯的控制（邊坡加固后的水平向位移云圖見圖6）。

（4）圖7為加固后的邊坡的總的位移矢量圖，從圖中我們也能很清楚的看出，邊坡在進行了有效的支護的情況下，整個邊坡的變形得到了很好的控制。綜合邊坡的豎向位移和水平位移以及總的位移，可以說這次加固就本邊坡而言還是比較成功的。

（5）對于錨索（桿）的具體受力情況，我們同樣在進行每步的開挖運算之后，給出錨索在工作狀態時的軸力和剪力的分布圖，如圖8a和圖8b所示。對于網格梁的具體受力情況，我們同樣在進行每步的開挖運算之后，給出網格梁在工作狀態時的軸力和剪力的分布圖，在本文的分析中是選用ANSYS的二維梁單元beam3來對網格梁進行模擬分析的，網格梁的受力情況如圖8c所示。

6. 結論

本章通過對邊坡的地質情況調查，參考相關的資料，對其邊坡的情況進行了描述，同時選取了相關的一些參數。然后通過ANSYS有限元程序對其邊坡的穩定性情況進行了模擬分析，分析邊坡在開挖后的位移情況，說明邊坡處于不穩定狀態。根據邊坡穩定性的分析結果，確定了預應力錨索加地格梁的加固方案，并通過有限元方法驗證了此加固方案是合理和有效的。隨后又對影響邊坡錨固效應和錨固支護效果的因素進行了分析研究，并對支護系統的受力進行了分析。提出理論一些對工程有指導意義的方法和措施，但是巖土錨固問題對于不同的工程還需要因地制宜進行合理有效的分析和評價。

（6）從上圖的邊坡支護系統的受力情況可以清楚地看出，錨桿對邊坡的滑動起到了很好的抑制作用，錨索（桿）的應力最大值為0.55MPa，位于第9根錨桿的后端位置。從錨索（桿）的受力特點看，錨索（桿）的受力集中在錨桿的中部，呈現中部大，兩端小的情況。另外，在下部的幾根錨索（桿）的里端，出現了受拉的情況，受拉的拉應力值不大。對整個邊坡的穩定性沒有影響。從圖中還可以看出，錨索的軸力和剪力沿錨索全長呈非線性分布，但由于它隨著巖體變形而變化，所以要給出它的軸力和剪力的簡單計算公式或實測值是很困難的^[9]。文獻^[10]中也給出了錨桿在工作時和拉拔試驗時受力的分布情況，與本次模擬的結果比較一致，也說明了本邊坡的分析是比較符合實際的。

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[9] 陸士良，湯雷，楊新安. 錨桿錨固力與錨固技術. 煤炭工業出版社，2008.11：138～1.endprint

（3）計算模型經過分臺階開挖荷載逐步釋放的計算后，可以看到在未進行任何有效的支護的情況下邊坡開挖后的位移和受力情況，圖2為邊坡在分臺階開挖完成之后的豎向位移圖。從圖中可以看出，在開挖之后邊坡有明顯的向下滑動趨勢，邊坡的豎向位移最大值達到7.13cm。從圖中還可以清楚地看出，如果步對開挖的邊坡進行相應地支護措施，則由于邊坡的滑移還會引起了左側向上隆起，隆起量可以達到將近20cm。

（5）從圖4邊坡的總的位移矢量圖中我們也能很清楚的看出，邊坡在沒有有效的支護的情況下，即便是分多臺階進行開挖也會對整個邊坡造成很大的擾動，使邊坡產生明顯的滑移。另外還可以從位移的云圖中看出邊坡單元的運動趨勢呈圓弧狀破壞。

5. 邊坡加固設計與穩定性分析

（1）坡面每10m高設一臺階，臺階寬2m，上設截水溝。在邊坡穩定性系數不足1.2的斷面之間以3.5～5m間距，沿坡面布置規格400×400mm的地梁， 每根地梁安裝3根預應力錨索。第一級坡面的地梁之間漿砌片石窗式護坡，窗內漿砌片石造景。從第二級至第三級坡面的地梁之間漿砌片石窗式護坡，巖層內安裝泄水管，窗內坡面栽植灌木和植草。第四級至第五級坡面強風化層較厚，為了防止地表水滲入巖層，造成巖層軟化，采取先在巖層內注漿封閉透水層，再在坡面栽植灌木和植草。其布置如表2所示^[6]。

（3）如圖5邊坡加固后的豎向位移云圖所示，在對邊坡進行的相應的加固措施之后，邊坡的豎向位移有顯著的減小，邊坡的豎向滑移最大值減小到了2.92cm，左側向上隆起位移最大值也減小到了8.57cm。對邊坡的水平位移而言，加固后與加固前相比，也可以清楚的看出，加固后的邊坡水平向位移也有很明顯的減小。邊坡水平位移的最大值由加固前的21.7cm減小到了6.90cm，而且邊坡左側的水平位移最大值也由邊坡加固前的10.5cm減小到了加固后的4.35cm。由這兩個數據的對比我們可以清楚的看出，邊坡的滑動在加固后得到了明顯的控制（邊坡加固后的水平向位移云圖見圖6）。

（4）圖7為加固后的邊坡的總的位移矢量圖，從圖中我們也能很清楚的看出，邊坡在進行了有效的支護的情況下，整個邊坡的變形得到了很好的控制。綜合邊坡的豎向位移和水平位移以及總的位移，可以說這次加固就本邊坡而言還是比較成功的。

（5）對于錨索（桿）的具體受力情況，我們同樣在進行每步的開挖運算之后，給出錨索在工作狀態時的軸力和剪力的分布圖，如圖8a和圖8b所示。對于網格梁的具體受力情況，我們同樣在進行每步的開挖運算之后，給出網格梁在工作狀態時的軸力和剪力的分布圖，在本文的分析中是選用ANSYS的二維梁單元beam3來對網格梁進行模擬分析的，網格梁的受力情況如圖8c所示。

6. 結論

本章通過對邊坡的地質情況調查，參考相關的資料，對其邊坡的情況進行了描述，同時選取了相關的一些參數。然后通過ANSYS有限元程序對其邊坡的穩定性情況進行了模擬分析，分析邊坡在開挖后的位移情況，說明邊坡處于不穩定狀態。根據邊坡穩定性的分析結果，確定了預應力錨索加地格梁的加固方案，并通過有限元方法驗證了此加固方案是合理和有效的。隨后又對影響邊坡錨固效應和錨固支護效果的因素進行了分析研究，并對支護系統的受力進行了分析。提出理論一些對工程有指導意義的方法和措施，但是巖土錨固問題對于不同的工程還需要因地制宜進行合理有效的分析和評價。

（6）從上圖的邊坡支護系統的受力情況可以清楚地看出，錨桿對邊坡的滑動起到了很好的抑制作用，錨索（桿）的應力最大值為0.55MPa，位于第9根錨桿的后端位置。從錨索（桿）的受力特點看，錨索（桿）的受力集中在錨桿的中部，呈現中部大，兩端小的情況。另外，在下部的幾根錨索（桿）的里端，出現了受拉的情況，受拉的拉應力值不大。對整個邊坡的穩定性沒有影響。從圖中還可以看出，錨索的軸力和剪力沿錨索全長呈非線性分布，但由于它隨著巖體變形而變化，所以要給出它的軸力和剪力的簡單計算公式或實測值是很困難的^[9]。文獻^[10]中也給出了錨桿在工作時和拉拔試驗時受力的分布情況，與本次模擬的結果比較一致，也說明了本邊坡的分析是比較符合實際的。

參考文獻

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[9] 陸士良，湯雷，楊新安. 錨桿錨固力與錨固技術. 煤炭工業出版社，2008.11：138～1.endprint