預(yù)應(yīng)力錨桿排布方式對(duì)土質(zhì)邊坡支護(hù)效果的影響

宋 治

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 概述

在邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)中，合理的選擇錨桿布置參數(shù)以及排布方式，對(duì)于提升邊坡穩(wěn)定性和控制工程成本，具有重要的意義。因此，國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究，取得了豐碩的成果。其中在錨桿參數(shù)布置方面，張季如、林杭等[1,2]分別借助于錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，研究了錨桿長(zhǎng)度對(duì)錨固效果的影響，提出了有效錨固長(zhǎng)度的概念；蔣明杰等[3]通過(guò)對(duì)公路邊坡錨固結(jié)構(gòu)的分析，確定了錨桿(索)最佳錨固角的表達(dá)式；楊濤等[4]研究了預(yù)應(yīng)力錨索地梁中合理確定錨固角的方法,定義了預(yù)應(yīng)力的利用率,提出了以初判條件和預(yù)應(yīng)力利用率為主來(lái)錨固角的方法；楊自友等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),研究了長(zhǎng)度相同而間距不同的錨桿對(duì)洞室圍巖的不同加固效果。在錨桿排布方式方面，林杭等[6]探究全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿長(zhǎng)短相間的形式、布置位置的變化對(duì)錨固結(jié)果的影響，結(jié)果表明隨著錨桿布設(shè)位置的下移,邊坡安全系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)錨桿布設(shè)在坡面中下部時(shí)得到的安全系數(shù)最大；馬國(guó)慶等[7]進(jìn)行了錨桿長(zhǎng)度等差變化對(duì)多級(jí)邊坡支護(hù)效果的數(shù)值模擬，但結(jié)果顯示這種變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響很小。

在錨桿布置形式的研究中，數(shù)值模擬能夠很好的體現(xiàn)邊坡在不同加固形式下滑動(dòng)面、穩(wěn)定性系數(shù)、潛在位移、剪應(yīng)變等的變化。因此，本文采用Flac3D建立典型的土質(zhì)邊坡模型，在錨桿數(shù)量、長(zhǎng)度、間距、錨入角度等因素均相同的前提下，探究預(yù)應(yīng)力錨桿的坡面排列方式，排布位置以及布置密度的變化對(duì)錨固效果的影響，從而為土質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿的合理設(shè)計(jì)和施工提供一定的建議。

2 模型的設(shè)置

數(shù)值模擬選取的土質(zhì)邊坡高為14 m,坡率為1∶1，寬度為10 m,如圖1所示。

模型下側(cè)邊界和右側(cè)邊界固定，側(cè)向約束水平位移，上部和左側(cè)為自由邊界。模型的初始應(yīng)力場(chǎng)設(shè)定為自重應(yīng)力場(chǎng)，并在初始狀態(tài)計(jì)算時(shí)予以考慮。土質(zhì)邊坡的各項(xiàng)參數(shù)取值按如表1所示，在安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，使用Flac3D自帶的強(qiáng)度折減法，得到未錨固前的安全系數(shù)為1.00，其潛在滑動(dòng)面如圖2所示。進(jìn)行錨固分析時(shí)，選擇預(yù)應(yīng)力錨桿，分別設(shè)置不同的參數(shù)模擬預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固段和自由段，在錨桿的自由段施加60 kPa的預(yù)緊力，并通過(guò)在錨頭位置設(shè)置剛性連接模擬托盤(pán)。錨桿的各項(xiàng)材料和布置參數(shù)如表2所示，在以下的分析中均保持不變。

表1 土質(zhì)邊坡的各項(xiàng)參數(shù)

3 分析與討論

3.1 不同排列形式的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及實(shí)際施工需要，邊坡錨桿加固一般布置為矩形或菱形(交錯(cuò)型)，其中菱形布置可以分為同側(cè)交錯(cuò)和異側(cè)交錯(cuò)。此次模擬設(shè)定的布置方法如圖3所示，每種方式布置錨桿16根，除布置形式外，其余參數(shù)均按照表2進(jìn)行取值，得到支護(hù)效果如表3所示。

表2 預(yù)應(yīng)力錨桿的各項(xiàng)參數(shù)

表3 錨桿的三種排列形式支護(hù)效果對(duì)比

由表3可知，三種排列形式的錨桿支護(hù)都取得了比較好的支護(hù)效果，支護(hù)之后邊坡的安全系數(shù)明顯提高，潛在位移得到了控制。在其他條件均相同的條件下，菱形布置能取得相對(duì)更好的支護(hù)效果，得到的安全系數(shù)稍高。在實(shí)際的邊坡支護(hù)中，出于護(hù)坡和綠化的需要，錨桿之間需要連接砌筑，矩形布置更便于施工，且與菱形布置取得的支護(hù)效果近似。因此，在中小型邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)中，在工程預(yù)算和其他條件一致的情況下，可以選擇矩形排列形式布置，這也與實(shí)際的工程應(yīng)用情況一致。

3.2 不同排布位置的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

根據(jù)以上分析可知，不同布置形式的預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)邊坡有著相近的支護(hù)效果。下面以矩形排布方式為例，將錨桿布置在邊坡坡面的不同位置(如圖4所示)，研究其排布位置對(duì)土質(zhì)邊坡支護(hù)效果的影響。試驗(yàn)?zāi)M中，預(yù)應(yīng)力錨桿除排布位置外，其他參數(shù)保持不變，按照表2進(jìn)行取值，得到的支護(hù)效果如表4所示。

從表4可知在布置形式等其他條件相同的情況下，錨桿的布置位置對(duì)支護(hù)效果的影響很大，錨桿布置越靠近邊坡坡腳，其安全系數(shù)越大。分析可知，這是由于初始條件下，此邊坡的潛在滑出區(qū)位于坡腳位置，當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨桿的布置靠近滑出區(qū)時(shí)，依靠錨桿的擠壓加固作用，能最大程度地阻止邊坡的因剪切破壞而滑出，從而得到最好的錨固效果。

表4 錨桿的不同排布位置支護(hù)效果對(duì)比

3.3 不同密度分配的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

錨桿的密度是指單位面積內(nèi)布置錨桿的數(shù)量。在邊坡錨固方案中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加快施工進(jìn)度，大多直接將整個(gè)坡面的錨桿密度設(shè)置為均布，但對(duì)于密度均勻分配是否為最佳形式，并沒(méi)有直接說(shuō)明。為了研究相同錨桿數(shù)量、相同排布方式、相同排布位置的情況下，預(yù)應(yīng)力錨桿密度分配方案對(duì)支護(hù)效果的影響，將坡面分為上下兩側(cè)，使用相同數(shù)量的錨桿，但采取不同的密度分配方案。具體的布置形式如圖5所示，除密度分配方案不同外，錨桿布置的其他條件均相同，按照表2進(jìn)行取值。

將以上三種不同錨桿密度分配的預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行Flac3D支護(hù)模擬，得到的支護(hù)效果如表5所示。

表5 錨桿的不同密度分配支護(hù)效果對(duì)比

由表5可知，三種錨桿密度分配方案下，均能對(duì)邊坡取得很好的加固效果，坡體安全系數(shù)大幅提升，坡面潛在位移消失。比較安全系數(shù)可知，在錨桿布置位置和布置數(shù)量確定的情況下，在下側(cè)增加錨桿密度(布置更多的錨桿)，取得的支護(hù)效果更好。一般而言，邊坡的水平應(yīng)力大小與其位置有關(guān)，下側(cè)具有更大的初始應(yīng)力，在下側(cè)適當(dāng)?shù)脑黾宇A(yù)應(yīng)力錨桿密度，能充分發(fā)揮錨桿自身的擠壓作用，防止土層因初始水平應(yīng)力而引起的錯(cuò)動(dòng)，從而達(dá)到更好的支護(hù)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Flac3D軟件探究了預(yù)應(yīng)力錨桿的坡面排列形式、錨桿排布位置以及錨桿密度分配對(duì)土質(zhì)邊坡支護(hù)效果的影響，得到以下結(jié)論：

1)邊坡錨桿加固常用的坡面排列方式包括矩形和菱形，在其他條件相同的情況下，菱形排列方式相對(duì)更好。

2)錨桿的排布位置對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)效果影響很大，靠近邊坡的潛在滑出面(一般在邊坡中下部)布置錨桿，能取得最好的加固效果。

3)在錨桿布置數(shù)量和排布位置確定的情況下，可以適當(dāng)?shù)貙⒖拷虏康奈恢迷黾渝^桿密度。相對(duì)于均勻布置，這種方案能取得更好的支護(hù)效果。