錨桿支護參數(shù)對強風(fēng)化砂巖邊坡群錨效應(yīng)的影響

喻 進 輝

(1.湖南省建筑科學(xué)研究院，湖南長沙 410001;2.湖南省建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，湖南長沙 410001)

0 引言

土木工程類有關(guān)學(xué)者認為，群錨效應(yīng)是由于群錨中錨桿間距較小，單個錨桿的承載力會受到影響的一種效應(yīng)［1］。群錨中的錨桿的工作狀態(tài)不同于單根孤立的錨桿，群錨效應(yīng)是因為群錨傳遞的錨桿拉力在土層中會產(chǎn)生疊加，互相干涉，從而降低了孔壁對錨桿的側(cè)阻力，降低錨桿的承載力［2，3］。

邊坡采用錨桿加固和錨索的作用機理類似，所以錨桿也存在群錨效應(yīng)［4］。邊坡的安全系數(shù)與錨桿的錨固力存在一定的關(guān)系，所以本文將對錨桿抗拔力和邊坡安全系數(shù)進行討論，分析錨桿的長度、間距、數(shù)目對群錨效應(yīng)的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對邊坡進行支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，為工程實踐提供參考。

1 計算模型及計算參數(shù)

某高速公路路塹邊坡地層巖性主要為強風(fēng)化砂巖。邊坡巖體物理學(xué)性質(zhì)如表1所示，利用FLAC3D軟件建立該邊坡中的一個坡面的計算模型［10］，計算模型中，邊坡高度 20 m，坡角 60°，L=30 m，R=50 m，B=20 m，其中，L為坡腳到左端邊界的距離;R為坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x;B為坡底到底端邊界的距離，模型尺寸比例如圖1所示。該模型總共有1 430個節(jié)點，750個單元，模型下邊界固定，側(cè)向約束水平位移，上部為自由邊界。采用Mohr-Coulomb準則描述土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場。邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。選用錨桿的計算力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖1 邊坡計算模型

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿計算力學(xué)參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 單根錨桿在不同位置受力情況

將單根錨桿依次布設(shè)在邊坡的坡面上，利用軟件計算錨桿在不同位置下錨桿的抗拔力，將錨桿長度分別設(shè)置為6 m，9 m，12 m，15 m，錨桿的傾角為15°，各個長度的錨桿在邊坡的不同位置下抗拔力的變化如圖2所示。

圖2 不同長度錨桿在不同位置下錨桿抗拔力

圖2顯示，隨著錨桿長度適度的增長，錨桿的抗拔力也隨之增大，但是錨桿長度過長時錨桿的抗拔拉力增加的緩慢。此外，錨桿的單根錨桿作用于邊坡上，同一長度錨桿在邊坡的不同的高度時，錨桿的抗拔力的變化范圍較小。

2.2 錨桿長度對群錨效應(yīng)的影響

根據(jù)單根錨桿單獨作用于邊坡上時的抗拔拉力的變化圖，去錨桿抗拔拉力變化不大的區(qū)域，即錨桿布設(shè)高度在邊坡高度中點(10 m)附近，進行錨桿長度對群錨效應(yīng)影響的分析。

取5根長度為12 m的錨桿布設(shè)在邊坡坡面上，其中一根錨桿布設(shè)在圖1的a點，其余四根布設(shè)在a點的兩側(cè)(即b，c，d，e點)，其錨桿垂直間距為2 m，利用軟件計算錨桿的抗拔力。將a點處的錨桿與同一位置的單根錨桿作用時的錨桿抗拔拉力進行對比分析。

再取長度為6 m，9 m，15 m數(shù)量都是5根的錨桿按照上述步驟分別計算錨桿的抗拔力，再與同一位置同一長度的單根錨桿作用于邊坡時的抗拔拉力進行對比，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同長度錨桿在2 m間距下錨桿抗拔力

從圖3可知，單根錨桿作用于邊坡時，錨桿的抗拔力變化速率隨著錨桿長度增大呈先快后慢，當(dāng)錨桿長度大于12 m時，錨桿長度變大時錨桿的抗拔力趨于平穩(wěn)，多根錨桿作用于邊坡上時，錨桿長度越長，a點處的錨桿的抗拔力比同一位置單根錨桿的抗拔力相差越大。所以錨桿長度對錨桿的群錨效應(yīng)會產(chǎn)生影響。

2.3 錨桿間距對群錨效應(yīng)的影響

取5根長度為12 m的錨桿布設(shè)在邊坡坡面上，其中一根錨桿布設(shè)在圖1的a點，其余四根布設(shè)在a點的兩側(cè)，其錨桿垂直間距為2 m，計算錨桿的抗拔力。將a點處的錨桿與同一位置的單根錨桿作用時的錨桿抗拔拉力進行對比分析。

再改變錨桿垂直間距，將間距設(shè)置0.5 m，1 m，1.5 m，2.5 m，3 m等按照上述方法計算錨桿的抗拔力。與單根錨桿作用于邊坡的錨桿抗拔力進行對比，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同錨桿間距的錨桿抗拔拉力

圖4中，多根錨桿作用于邊坡時，a點的錨桿抗拔力隨著錨桿的間距增大而增大，逐漸接近于單根錨桿作用于邊坡時的抗拔力。以此說明錨桿間距對錨桿的群錨效應(yīng)存在一定的影響。

2.4 錨桿數(shù)目對群錨效應(yīng)的影響

取奇數(shù)根錨桿，錨桿長度為12 m，錨桿間距為2 m，以傾角為15°布設(shè)于邊坡上，將其中一根錨桿布設(shè)在a點，其余布設(shè)在a點的兩側(cè)，奇數(shù)根錨桿的數(shù)目設(shè)置為3，5，7，利用軟件計算不同數(shù)目的錨桿下a點處的錨桿的抗拔力的變化，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同錨桿數(shù)目下的錨桿抗拔力

從圖5可知，隨著錨桿的數(shù)目增加，邊坡上a點處的錨桿的抗拔力先減小后趨于平穩(wěn)，說明多根錨桿的數(shù)目對錨桿的抗拔力存在影響，也由此說明錨桿的數(shù)目對群錨效應(yīng)存在一定的影響。

3 基于正交法的錨桿支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

在工程中為了能避免錨桿產(chǎn)生群錨效應(yīng)，而使每根錨桿能夠充分發(fā)揮自身的錨固作用，需要對錨桿參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并且對錨桿的長度、間距、數(shù)目對群錨效應(yīng)影響程度進行分析。

3.1 正交試驗因素水平確定

將錨桿的長度、錨桿間距、錨桿數(shù)量這些因素分為3個水平，其主要影響因素水平如表3所示。這3個因素中的任意兩個都沒有交互作用。其中錨桿數(shù)目設(shè)置為單數(shù)，方便討論錨桿數(shù)目對群錨效應(yīng)的影響。

表3 錨桿各因素水平

3.2 正交試驗結(jié)果

在表4中，3種水平的正交表列出了L9(34)正交試驗方案，將錨桿長度、錨桿間距、錨桿數(shù)目等因素分別記為A，B，C，運用FLAC3D軟件進行計算邊坡a點處的錨桿的抗拔力和邊坡的安全系數(shù)，以此作為評價指標。其計算結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗的結(jié)果

根據(jù)上述正交試驗說明，此次試驗的試驗結(jié)果錨桿抗拔拉力的最大值是方案6其次是方案9，其a點的錨桿的抗拉力分別為223 kN和221 kN，但是從邊坡安全系數(shù)的評價指標角度來看，方案9的安全系數(shù)為1.5＞1.25(工程中規(guī)定邊坡穩(wěn)定界限值)，而方案6的安全系數(shù)1.24＜1.25。所以對于該邊坡斷面來說，錨桿采用錨桿長度為12 m，錨桿間距為2.5 m，錨桿數(shù)目為5根的布設(shè)方式對群錨效應(yīng)是相對較小。這種錨桿支護方式對該邊坡坡面支護效果是最好的。

表5 各因素級差評價

表5中的數(shù)據(jù)說明錨桿的長度在所有影響錨桿的群錨效應(yīng)中最為明顯，其次是錨桿的間距，最后是錨桿的數(shù)目。所以用錨桿加固邊坡時，應(yīng)該根據(jù)實際工程情況對錨桿長度的選擇要進行全方位的衡量，既要考慮每根錨桿的支護效果，又要考慮錨桿支護整個坡面時的安全系數(shù)。

4 結(jié)語

1)錨桿的布設(shè)形式對錨桿的群錨效應(yīng)存在一定的影響。增加錨桿的長度、錨桿數(shù)目，減小錨桿間距會有助于提高邊坡的安全穩(wěn)定性，但是也會減小錨桿的抗拔力，從而降低錨桿的支護效果。

2)在影響錨桿的群錨效應(yīng)的參數(shù)中，錨桿長度在影響錨桿的群錨效應(yīng)所有因素中最為明顯，其次是錨桿的間距，最后是錨桿的數(shù)目。

3)錨桿采用長度為12 m，間距為2.5 m，數(shù)目為5根的布設(shè)于該邊坡斷面上，此時的群錨效應(yīng)是相對較小，支護效果也較好。

［1］張大偉.群錨作用的受力淺析［Z］.

［2］肖昭然，李象范，侯學(xué)淵.巖土錨固工程技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［3］何思明，王成華，喬建華.預(yù)應(yīng)力錨索群錨效應(yīng)研究:理論與建模［J］.中國科學(xué) E 輯技術(shù)科學(xué)，2003，33(sup):101-109.

［4］戴運祥.斜拉土層錨桿的群錨效應(yīng)［D］.上海:同濟大學(xué)博士學(xué)位論文，1993.