錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化砂巖邊坡群錨效應(yīng)的影響

喻 進(jìn) 輝

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

0 引言

土木工程類有關(guān)學(xué)者認(rèn)為，群錨效應(yīng)是由于群錨中錨桿間距較小，單個(gè)錨桿的承載力會(huì)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?yàn)槿哄^傳遞的錨桿拉力在土層中會(huì)產(chǎn)生疊加，互相干涉，從而降低了孔壁對(duì)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(jī)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(duì)錨桿抗拔力和邊坡安全系數(shù)進(jìn)行討論，分析錨桿的長(zhǎng)度、間距、數(shù)目對(duì)群錨效應(yīng)的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為工程實(shí)踐提供參考。

1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

某高速公路路塹邊坡地層巖性主要為強(qiáng)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(gè)坡面的計(jì)算模型［10］，計(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn)，750個(gè)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(zhǔn)則描述土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)。邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。選用錨桿的計(jì)算力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖1 邊坡計(jì)算模型

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2 錨桿計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)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(jì)算錨桿在不同位置下錨桿的抗拔力，將錨桿長(zhǎng)度分別設(shè)置為6 m，9 m，12 m，15 m，錨桿的傾角為15°，各個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)度錨桿在不同位置下錨桿抗拔力

圖2顯示，隨著錨桿長(zhǎng)度適度的增長(zhǎng)，錨桿的抗拔力也隨之增大，但是錨桿長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)度錨桿在邊坡的不同的高度時(shí)，錨桿的抗拔力的變化范圍較小。

2.2 錨桿長(zhǎng)度對(duì)群錨效應(yīng)的影響

根據(jù)單根錨桿單獨(dú)作用于邊坡上時(shí)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(diǎn)(10 m)附近，進(jìn)行錨桿長(zhǎng)度對(duì)群錨效應(yīng)影響的分析。

取5根長(zhǎng)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(diǎn)，其余四根布設(shè)在a點(diǎn)的兩側(cè)(即b，c，d，e點(diǎn))，其錨桿垂直間距為2 m，利用軟件計(jì)算錨桿的抗拔力。將a點(diǎn)處的錨桿與同一位置的單根錨桿作用時(shí)的錨桿抗拔拉力進(jìn)行對(duì)比分析。

再取長(zhǎng)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(jì)算錨桿的抗拔力，再與同一位置同一長(zhǎng)度的單根錨桿作用于邊坡時(shí)的抗拔拉力進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同長(zhǎng)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(shí)，錨桿的抗拔力變化速率隨著錨桿長(zhǎng)度增大呈先快后慢，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度大于12 m時(shí)，錨桿長(zhǎng)度變大時(shí)錨桿的抗拔力趨于平穩(wěn)，多根錨桿作用于邊坡上時(shí)，錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)，a點(diǎn)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(zhǎng)度對(duì)錨桿的群錨效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生影響。

2.3 錨桿間距對(duì)群錨效應(yīng)的影響

取5根長(zhǎng)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(diǎn)，其余四根布設(shè)在a點(diǎn)的兩側(cè)，其錨桿垂直間距為2 m，計(jì)算錨桿的抗拔力。將a點(diǎn)處的錨桿與同一位置的單根錨桿作用時(shí)的錨桿抗拔拉力進(jìn)行對(duì)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(jì)算錨桿的抗拔力。與單根錨桿作用于邊坡的錨桿抗拔力進(jìn)行對(duì)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(shí)，a點(diǎn)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(shí)的抗拔力。以此說(shuō)明錨桿間距對(duì)錨桿的群錨效應(yīng)存在一定的影響。

2.4 錨桿數(shù)目對(duì)群錨效應(yīng)的影響

取奇數(shù)根錨桿，錨桿長(zhǎng)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(diǎn)，其余布設(shè)在a點(diǎn)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(jì)算不同數(shù)目的錨桿下a點(diǎn)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(diǎn)處的錨桿的抗拔力先減小后趨于平穩(wěn)，說(shuō)明多根錨桿的數(shù)目對(duì)錨桿的抗拔力存在影響，也由此說(shuō)明錨桿的數(shù)目對(duì)群錨效應(yīng)存在一定的影響。

3 基于正交法的錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且對(duì)錨桿的長(zhǎng)度、間距、數(shù)目對(duì)群錨效應(yīng)影響程度進(jìn)行分析。

3.1 正交試驗(yàn)因素水平確定

將錨桿的長(zhǎng)度、錨桿間距、錨桿數(shù)量這些因素分為3個(gè)水平，其主要影響因素水平如表3所示。這3個(gè)因素中的任意兩個(gè)都沒(méi)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(duì)群錨效應(yīng)的影響。

表3 錨桿各因素水平

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

在表4中，3種水平的正交表列出了L9(34)正交試驗(yàn)方案，將錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距、錨桿數(shù)目等因素分別記為A，B，C，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算邊坡a點(diǎn)處的錨桿的抗拔力和邊坡的安全系數(shù)，以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。其計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)的結(jié)果

根據(jù)上述正交試驗(yàn)說(shuō)明，此次試驗(yàn)的試驗(yàn)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(diǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)角度來(lái)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(duì)于該邊坡斷面來(lái)說(shuō)，錨桿采用錨桿長(zhǎng)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(duì)群錨效應(yīng)是相對(duì)較小。這種錨桿支護(hù)方式對(duì)該邊坡坡面支護(hù)效果是最好的。

表5 各因素級(jí)差評(píng)價(jià)

表5中的數(shù)據(jù)說(shuō)明錨桿的長(zhǎng)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(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工程情況對(duì)錨桿長(zhǎng)度的選擇要進(jìn)行全方位的衡量，既要考慮每根錨桿的支護(hù)效果，又要考慮錨桿支護(hù)整個(gè)坡面時(shí)的安全系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

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

2)在影響錨桿的群錨效應(yīng)的參數(shù)中，錨桿長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)的群錨效應(yīng)是相對(duì)較小，支護(hù)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(guó)科學(xué) E 輯技術(shù)科學(xué)，2003，33(sup):101-109.

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