錨固力學效應對高邊坡穩定性影響分析

許 容 劉慧明

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥246003）

1 概述

錨固效應研究通過錨固巖土體的物理效應、力學效應和結構效應來體現。錨固主要有兩種作用，即對圍巖表面提供反力以約束巖體向臨空方向的變形，以及使巖體一體化的加固作用，提高巖體的穩定性。

2 高邊坡工程地質概況

該邊坡位于云南省昭通市，構造主要受北西向和近南北向構造控制，區域地質構造背景十分復雜。區內地勢總體北高南低，為滇西縱谷山原區地貌單元，地形切割強烈，相對高差一般為1500-3200m。該邊坡布置于大關河右岸，山坡陡峭，地形坡度一般為30～700，屬于中高山侵蝕型谷坡地貌。

3 數值模擬

計算采用的是Geo-Slope 公司研制的一個計算邊坡穩定性的模塊slope／w，采用了極限平衡的方法，對邊坡體進行條分，自動搜索確定滑動面，求出畢肖普條分法、摩根斯坦-普拉斯條分法（摩根法）下的坡體穩定系數。

暴雨工況模擬：邊坡所在地區24h 最大降雨量小于200mm。本次計算采用的降雨強度為200mm/d 作為暴雨狀況的計算依據。

地震工況模擬：本項目計算中地震動參數計算標準按50 年超越概率5%時對應的基巖峰值加速度為0.16g，本報告按擬靜力法進行計算。

圖1 開挖邊坡計算模型

4 錨固的力學效應分析

巖土錨固的力學效應反映在施加預應力之后，可引起圍巖應力的二次分布，從而提高了巖體的剛度，根據對多點的位移的觀測，錨索在張拉鎖定后，巖體的壓縮效應有延時和繼續增強的現象。巖質邊坡的開挖將使應力產生重分布，引起巖坡表層的松弛張裂，而預應力的施加部分恢復了原有的應力，從而使巖體的完善性增加，輕度提高。已有研究表明：錨索最大抗滑力的大小只與錨固力和滑裂面摩擦角切有關, 它的實現則取決于錨固角、錨固角與錨索的錨固效應、材料成本等與都有較大的關系，而且錨固角的選取若不合理可能導致錨索的阻抗力迅速下降，因而錨固角的優化設計在錨固設計參數優化計算中顯得尤為重要。

4.1 錨索與水平方向的夾角關系分析

本節將分別計算錨索與水平方向夾角呈0°、5°、10°、15°四種情形各工況下的安全系數，并分析其滑動面。錨索與水平方向的夾角變化時臨界滑動面圖如所示（篇幅有限，僅顯示正常工況下0°、15°臨界滑動面圖），各工況下穩定性計算結果表見表，錨索加固邊坡計算得出的最小安全系數見表：

圖（b）15°錨索正常水位臨界滑動面圖

表1 錨索與水平方向0°夾角下各工況穩定性計算結果表

表2 錨索與水平方向5°夾角下各工況穩定性計算結果表

表3 錨索與水平方向10°夾角下各工況穩定性計算結果表

表4 錨索與水平方向15°夾角下各工況穩定性計算結果表

表5 錨索與水平方向的夾角變化時計算得出的最小安全系數

從上表中可得出：在未加固時，本文方法計算得出的最小安全系數畢肖普法為0.903，摩根斯頓- 普賴斯法為0.908；錨索最優化加固角時（通過計算得出其最優化加固角θ=10°），畢肖普法安全系數為1.646，摩根斯頓- 普賴斯法為1.436。加固邊坡相對于未加固邊坡，其計算得到的安全系數變大，可說明錨索對邊坡的穩定性起到了改善作用。當錨索與水平方向的夾角θ=10°時，其計算得到的安全系數最大，說明本文以錨索對邊坡穩定性提供的抗滑力最大來求最優化加固角的方法是可行的。錨索設置角度對巖石邊坡的穩定性有重要影響,隨著錨索設置角度越大,邊坡的抗滑穩定性越低,而邊坡的抗傾覆穩定性系數呈現先增大后減小的趨勢，錨索設置角度過大將減小錨固作用的有效性,工程中必須考慮到錨索設置角度的問題，使錨索加固的有效性和合理性提高。

4.2 內摩擦角變化時最優錨索加固角加固邊坡分析

當內摩擦角變化時，其最優錨索加固角加固邊坡計算得出的最小安全系數見下表：

表6

f 從表中可知： 本文方法計算得到的最小安全系數畢肖普法為1.172，摩根斯頓- 普賴斯法為1.175；,隨著內摩擦角筍的增大，其錨索最優加固角發生變化，也可知錨索最優加固角與內摩擦角切有較大的關系。

4.3 內摩擦角變化時最優錨索加固角加固邊坡分析

當錨索加固位置發生變化時,其最優錨索加固角加固邊坡計算得出的最小安全系數見表7。

表7

從上表可知：本文方法計算得到的最小安全系數隨著錨索加固位置的上移,其錨索最優加固角發生變化且變小,也可知錨索最優加固角與錨索所在土條底面位置時的土條底面切線方向與水平方向的夾角有較大的關系,同時,隨著錨索加固位置的上移,其錨索與滑動面的接觸點也上移,而滑動面土條底面切線方向與水平方向的夾角處在滑動面位置越靠近坡頂越大, 故錨索最優加固角直接與錨索加固位置有關。

5 結論

上述實例計算可以充分表明：對于任意曲線形滑裂面,確定錨索的最優加固效果并不能通過單獨對錨索安設部位、設置傾角、設置長度等參數進行設計計算而獲得工程實踐中,為獲得最優錨固效應、最低工程造價和易于施工操作,需要從整體上對整個邊坡錨固系統的錨固效應及經濟造價并結合施工難易程度進行多元參數分析,以求達到錨固效應、工程造價和施工方便等多方面的平衡。