分析框架預應力錨桿邊坡支護結構穩定性算法與應用

褚錦彩（核工業柳州工程勘察院，廣西柳州545005）

分析框架預應力錨桿邊坡支護結構穩定性算法與應用

褚錦彩（核工業柳州工程勘察院，廣西柳州545005）

支護結構、錨桿會對土體邊坡的穩定性產生影響，在這種情況下，結合土體邊坡滑動面的極限平衡理論，利用圓弧滑動條分法，針對邊坡危險性較高的滑移面，建立了相應的搜索模型，并對邊坡滑移面圓心位置與穩定系數之間的函數關系進行分析。本文主要利用計算機技術確定滑移面圓心所處的具體位置，并采用網格法在圓心范圍內搜索危險性較高的滑移面圓心，有效實現了框架預應力錨桿邊坡支護結構穩定性的準確計算，并在基礎上，對框架預應力錨桿穩定性的相關計算軟件進行研究，僅供參考。

預應力錨桿；邊坡支護；滑移面

1 前言

我國西部地區多為地形復雜的山區，在這些地區所涉及的公路、房屋建設均和邊坡支護有關聯。隨著科學技術的不斷發展，一些以巖土錨固技術為核心的新型支護結構被廣泛應用邊坡支護，傳統的邊坡支護結構具有造價高、操作復雜、穩定性差、支護高度受限等不足，而這種新型的支護結構具有經濟性、外形美觀、穩定性強等特點，有效彌補了傳統支護結構的不足之處，在邊坡支護工程中具有較高的應用價值。另外，還可以結合相關綠化措施，有效應用于公路、鐵路和房屋建設中，避免發生滑坡現象，對保護周邊環境及人身安全具有重要意義。

2 框架預應力錨桿結構模型

框架預應力錨桿支護結構屬于輕型擋土結構，主要由擋土板、墻后土體、錨桿和框架組成。其中橫梁、立柱和擋土板組成了框架，這三者連接處和樓蓋的豎向梁板結構體系相似，錨桿錨頭與框架在立柱與橫梁交叉處進行連接，內端錨固被固定在土體中。擋土板水壓力或土壓力的傳遞流程為：土壓力或水壓力-鋼拉桿-水泥砂漿-土層摩擦力-錨固區的穩定地層中，以承受擋土板的土壓力或水壓力對支擋結構的作用力，框架預應力錨桿支護結構立面圖如圖1所示。

圖1 框架預應力錨桿支護結構立面圖

在框架預應力錨桿邊坡支護結構中，錨桿的主要作用在于對土體的力學性能與受力狀態進行改善，將傳統支護結構的被動型擋護轉變為利用土體自身能力的主動型擋護，對土體位移進行有效控制。若邊坡向外的破壞力不斷增加，錨桿支護即可隨之增大，直至超出極限平衡，從而對邊坡的穩定性造成破壞，若將錨桿拔出，其支護力會逐步減小，而形成輕型柔性支護結構。由于框架預應力錨桿支護邊坡已完全克服了傳統邊坡支護結構的弊端，再加上在具體的施工工程中對邊坡的擾動較小，預應力錨桿可對邊坡變形進行有效控制。在工程施工完成后，還可采取符合生態支護理念的綠化措施進行施工，可見，盡管框架預應力錨桿支護的作用機理與理論研究尚不成熟，但仍被廣泛應用于邊坡支護中，框架預應力錨桿支護結構剖面圖見圖2。

圖2 框架預應力錨桿支護結構圖

3 框架預應力錨桿穩定性的計算

3.1 圓弧滑動法

該方法主要適用于一些土質邊坡或規模較大的巖質邊坡中，在已經確定滑移面的基礎上，邊坡的穩定性可根據以下公式予以計算：

圖3 穩定性驗算簡圖

上述（1）～（3）式中：Ks表示邊坡穩定性系數；MR、MT分別表示表示滑動面上抗滑力矩的總和、總下滑力矩總和；n表示滑動體分條數；H表示邊坡支護的具體高度；m表示錨桿的層數；γ0表示重要性系數；R表示滑移面圓弧的半徑；Wi表示第i分條土重；bi表示第i分條的寬度；Y表示圓心至地表面的主要距離；Cik表示第i分條滑裂面處粘聚力的具體值；φik表示第i分條滑裂面處內摩擦角的具體值；θi表示第i分條滑裂面處切線與水平面之間的夾角；αj表示第j層錨桿與水平面的夾角；Li表示第i分條滑裂面處弧長；s表示滑動體單元的厚度；q0表示邊坡頂面荷載的分布；F表示框架錨桿底部水平推力的標準值。

3.2 圓弧滑動條分法

利用圓弧滑動條分法對邊坡穩定性進行計算，在確定滑移面的情況下，即可獲得準確的穩定性系數，因此，將危險性較高的滑移面確定下來，即可計算出最小安全系數，并根據該系數來判斷邊坡的穩定性是否滿足相關要求。確定危險性較高滑移面的具體內容為：

3.2.1 兩個假設

①假設圓心不會出現在直線OC的右側和直線CE下側，根據幾何關系，則圓弧上任意切線與水平面的夾角為0～90°；②邊坡危險性最高滑移面圓弧經過基坑底面的A處，見圖4。

圖4 高危險性滑移面的搜索模型圖

3.2.2 建立搜索模型

如圖4所示，建立以O′（-x′，-z′）為圓心、O（0，0）為坐標原點的直角坐標系。圓弧圓心O′的所在區域為矩形OCDE，以R為圓弧半徑。在具體的搜索過程章，根據圓心位置的變化情況，來搜索滑移面，并對其對應的穩定性系數進行計算。在所建的坐標系中，建立圓心O′與穩定性計算公式之間函數關系Var（-x′，-z′），相關變量的詳細計算內容如下：

圖5表示錨桿在圓弧面外錨固體的具體長度，以第j層錨桿與圓弧交點為中心C（Xj）Zj+ΔZj，lfj、Lnj分別表示滑移面內錨桿長度和滑移面外錨桿長度，則錨桿總長度的計算公式為：

Lj=lfj+lnj（5）

圖5 錨桿在滑移面外長度計算簡圖

4 工程實例

4.1 工程概況

某大樓的邊坡支護分為上下兩級，第二級邊坡采用框架錨桿進行支護，支護高度為12m，邊坡重要性系數和安全系數分別取1.0、1.3，邊坡土體的設計參數見表1。

表1 設計參數

4.2 支護方法及設計結果

利用框架錨桿預應力錨桿進行支護，并對其結構整體穩定性進行驗算。相關驗算結果是滿足相關穩定性要求的，框架錨桿支護設計剖面如圖6所示。

圖6 支護結構設計剖面圖

5 結論及討論

（1）極易極限平衡理論，通過圓弧滑動條分法建立最危險滑移面搜索模型，并根據該模型，推導出了滑移面圓心與安全系數之間的函數關系，并利用計算機技術來確定圓心所在區域，從而對框架預應力錨桿支護結構的穩定性進行驗算，大大提高了滑移面搜索的效率和質量。

（2）支護結構、錨桿會對土體邊坡的穩定性產生影響，且最危險滑移面是隨著設計參數的變化而發生變化的，而通過經驗公式來確定最危險滑移面是不可靠的，而通過計算機動態搜索技術來確定最危險滑移面具有一定的科學性和合理性。

（3）對框架預應力錨桿支護結構的穩定性進行驗算，所建立的計算模型尚存在較多不完善之處，比如：土體參數的不確定性、錨桿與土體的相互作用等因素會影響邊坡的穩定性，因此，應進一步完善和改進其中存在的問題。同時，還應加強對數值計算、計算機仿真等方面的研究，以確保邊坡支護的穩定性。

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TU43

A

2095-2066（2016）33-0101-02

2016-11-10