基于FLAC3D的土質(zhì)邊坡錨桿加固優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 剛

(湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,湖南 長沙 410000)

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基于FLAC3D的土質(zhì)邊坡錨桿加固優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 剛

(湖南輝達(dá)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,湖南 長沙 410000)

以某高陡挖方土質(zhì)邊坡工程為背景，基于FLAC3D軟件，分析了錨桿長度、間距、傾角等參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并探討了錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了該邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而滿足邊坡加固經(jīng)濟(jì)性與安全性的要求。

錨桿，邊坡，穩(wěn)定性，安全系數(shù)

錨桿技術(shù)是土質(zhì)高邊坡治理中常見的加固手段[1，2]。錨桿設(shè)計(jì)能夠隨坡就勢(shì)、與坡面緊密貼合、布置靈活、無需額外的占地面積、施工方便快捷、經(jīng)濟(jì)安全，而且錨桿支護(hù)的邊坡可以在坡面上植草綠化，美化環(huán)境，保護(hù)生態(tài)[3]。因此，錨桿支護(hù)在邊坡加固處理中應(yīng)用越來越廣泛。錨桿設(shè)計(jì)中，涉及到錨桿長度、間距、傾角等諸多參數(shù)[4，5]。設(shè)計(jì)合理的參數(shù)，可以在確保安全的前提下，進(jìn)一步提高錨桿支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性。本文以某高陡挖方土質(zhì)邊坡為工程背景，基于FLAC3D分析了錨桿長度、間距、傾角等參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，探討了錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，并給出了該邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 工程背景

某小區(qū)東側(cè)為高陡土質(zhì)挖方邊坡。該邊坡距離最近的住宅樓約14 m，高約15 m，邊坡坡度約為1∶0.8。該邊坡地層情況如表1所示。為保證住宅樓的安全，擬采用錨桿系統(tǒng)對(duì)該邊坡進(jìn)行加固治理。

表1 勘察報(bào)告提供的地層參數(shù)

2 加固前邊坡穩(wěn)定性分析

錨桿設(shè)計(jì)前，先采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。分析過程中地層模型采用摩爾—庫侖模型，采用自編的強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。摩爾—庫侖模型中重度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)參照表1中的數(shù)據(jù)，其余參數(shù)選取如下：體積模量1.2e8 Pa，剪切模量4e7 Pa，抗拉強(qiáng)度1e6 Pa。FLAC3D計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.08，剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D及速度矢量圖如圖1所示。計(jì)算結(jié)果說明該邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，若遇持續(xù)降雨等擾動(dòng)狀態(tài)，可能會(huì)發(fā)生滑移。因此，需進(jìn)行加固處理。根據(jù)剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，可以推斷出危險(xiǎn)滑移面的位置。

3 錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用錨桿對(duì)該邊坡進(jìn)行加固，首先根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范選取數(shù)組錨桿垂直間距、錨桿傾角以及錨桿長度的可行組合，分別采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析，力求找到較優(yōu)的加固設(shè)計(jì)方案。數(shù)值模擬中，地層模型仍選用摩爾—庫侖模型，錨桿采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。

3.1 錨桿垂直間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

設(shè)計(jì)錨桿傾角為20°，上下錨桿長度分別為12 m或8 m，錨桿垂直間距分別為2.5 m，3 m和3.5 m進(jìn)行數(shù)值模擬，間距不同時(shí)錨固體應(yīng)力分布如圖2所示。

2.5 m,3 m,3.5 m三種間距加固情況下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為：2.6，2.1，1.7。根據(jù)CECS 22:2005巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程，當(dāng)永久性邊坡穩(wěn)定性危害較大但不致出現(xiàn)公共安全問題時(shí)，安全系數(shù)應(yīng)大于2。因此，此三種情況下，認(rèn)為間距3 m為較優(yōu)選擇。通過對(duì)三種間距下情況對(duì)比分析還可以得出如下結(jié)論：上部錨桿受力較小，主要是中下部錨桿受力；錨桿長度設(shè)置太長時(shí)，錨固體所起的錨固作用有限，因此錨桿長度可適當(dāng)減小。

3.2 錨桿傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)3.1研究結(jié)果，錨桿垂直間距設(shè)計(jì)為3 m，最下面一排錨桿長度設(shè)計(jì)為6 m，其余錨桿長度設(shè)計(jì)為10 m，錨桿傾角分別為15°，20°，25°進(jìn)行數(shù)值模擬。傾角不同時(shí)錨桿軸力分布如圖3所示。15°，20°，25°三種間距加固情況下，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)分別為：2.1，2.0，1.8。傾角越大，安全系數(shù)減小。查詢軸力最大值可知，三種情況下15°，軸力最大值最小。因此認(rèn)為錨桿傾角較小時(shí)，加固效果較優(yōu)。但錨桿傾角不能太小，否則影響水泥砂的灌注。

3.3 錨桿長度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)錨桿傾角為15°，垂直間距設(shè)計(jì)為3 m時(shí)，兩種不同的錨桿長度模擬結(jié)論可以看出：兩者的安全系數(shù)相等；錨桿長度設(shè)置太長時(shí)，錨固體所起的錨固作用有限，因此在設(shè)計(jì)過程中錨桿長度無需設(shè)置太長，其起到的加固作用有限，但經(jīng)濟(jì)成本會(huì)增加。

4 結(jié)語

通過FLAC3D強(qiáng)度折減法分析，未加固邊坡處于臨滑狀態(tài)。對(duì)錨桿加固邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比分析，認(rèn)為較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案為：錨桿傾角為15°，垂直間距設(shè)計(jì)為3 m，最下面一排錨桿長度設(shè)計(jì)為6 m，其余錨桿長度設(shè)計(jì)為10 m。該設(shè)計(jì)方案下，加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.1，滿足規(guī)范要求，能同時(shí)兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 孟憲坤,江 燕.淺談土錨桿在土質(zhì)邊坡處理中的應(yīng)用[J].水電施工技術(shù),2010(3):4-6.

[2] 王建明.論灌漿錨桿在粘性土質(zhì)邊坡加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2004,12(5):55-56.

[3] 陳道遠(yuǎn).錨桿格構(gòu)梁在土質(zhì)邊坡支護(hù)工程中的應(yīng)用[J].四川建材,2008,34(3):227-228,231.

[4] 陳 峰,陳銀生.有限元法在邊坡錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程,2009,23(S1):161-163.

[5] 夏 偉,馮光樂,王雪剛.蒙特卡洛法在邊坡錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].公路,2001(6):73-76.

The reinforcement optimization design of soil slope anchor rod based on FLAC3D

Wang Gang

(HunanHuidaPlanningandSurveyDesignResearchLimitedCompany,Changsha410000,China)

Taking the soil slope engineering of a high steep slope excavation as the background, based on the application of FLAC3D software, analyzed the influence of anchor length, spacing, angle and other parameters to slope stability, and discussed the optimization design method of anchor rod, gave the optimization design scheme of the slope, so as to meet the safety and economy requirements of slope reinforcement.

anchor rod, slope, stability, safety coefficient

1009-6825(2017)10-0085-02

2017-01-23

王 剛(1982- )，男，工程師

TU472

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