錨桿支護對寶雞林家村水電站邊坡加固效果研究

李海燕

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局林家村水電站,陜西 寶雞 721000）

0 前言

錨桿的設置位置選擇在錨桿支護加固方式中十分關鍵,不同的位置選擇,會造成錨桿支護對邊坡的加固效果不同,在采用相同數量錨桿對邊坡進行加固時,位置選擇恰當有時會達到事半功倍的效果,但是,現代邊坡工程錨桿支護加固施工中,由于設計的安全系數較高,往往忽略了這一點。張宗領等[1]認識到在基坑轉角處錨桿復合支護結構墻體有明顯的空間效應的特點,提出可對這一優點加以利用,以節約轉角處錨桿的用量,以免該位置處設計過于保守,增加工程量和造價,通過在三維有限元軟件中建立全尺寸模型,分析計算相應的基坑轉角處的空間優化效應,為錨桿支護的進一步優化設計提供了根據。程建華等[2]為進一步研究復合錨桿支護體系的整體穩定性,在討論極限平衡法及有限元法局限性的基礎上,提出運用突變論評價體系穩定性的新思路。首先,根據錨桿支護的加固機理將復合支護體系簡化為作用于釘土加固體的單一支護體系,并建立簡化力學模型；其次,根據釘土加固體的能量方程建立勢函數,引入突變模型,通過變量轉換得出標準形式；最后,由失穩判據求解釘土加固體的臨界狀態。研究結果表明將復合錨桿支護體系視為釘土加固體,以塑型耗散能增量作為突變判據,可用于評判其整體穩定性。所提出的方法對于推進復合錨桿支護體系的穩定性分析有著一定的參考作用和借鑒意義。朱曉云等[3]采用FLAC3D分別研究了錨桿墻與樁錨組合支護結構對北京某深基坑的加固效果,得出了在采用兩種不同方案時,基坑的哪些部位可以進行縮短或弱化處理,為節約工程成本提供了參考。苑金秒等[4]通過結合工程實例分析了錨桿墻在基坑開挖工程中的設計方法上的進一步改進方向。朱彥鵬等[5]采用有限元PLAXIS軟件對西北某深基坑工程進行了初次支護及二次加固的二維數值計算,然后將獲得的數值結果和現場監測數據對照后,認為該基坑經過二次加固后的穩定性良好。

下文對黏土邊坡進行錨桿不同位置設置的邊坡穩定性研究,通過模擬同一邊坡同種數量的錨桿支護條件下,上部錨桿位置設置不同時,指示邊坡穩定性的邊坡安全系數計算結果和指示邊坡穩定性的最終的臨界滑面上土體的摩擦強度大小結果的分析比較,得出該黏土邊坡在采用錨桿加固方式對其進行加固時,錨桿應設置的位置。

1 工程地質

該土質邊坡工程位于陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局林家村水電站,邊坡的穩定對水電站運行非常關鍵,第四紀沉積黏土構成了該邊坡土體的主要組成成分,第四紀沉積黏土的相關物理力學參數見表1,該邊坡的幾何特征見圖1。

圖1 黏土邊坡剖面

表1 沉積黏土層參數

2 Geo-studio軟件簡介

Geo-studio巖土工程軟件內置了多個分析計算模塊,各個模塊設置專為不同的特別計算分析,其中的Slope是設計為邊坡相關工程的計算分析服務的,在該模塊中,既可以進行樁基和支護方式對邊坡工程進行加固設置,又可以進行錨桿支護的加固方式設置。通過將錨桿的位置坐標進行變化,即可進行相應不同位置下錨桿支護對邊坡加固效果的研究分析。

3 邊坡體模型建立

依托如圖1中所示的公路路塹邊坡模型,構建成了如圖2所示用于數值計算的邊坡模型,通過將下部錨桿位置進行固定,變化上部另一根錨桿的具體位置,分析兩種情形下,得到的穩定性相關參數的計算結果。

圖2 邊坡計算模型

4 模擬結果

先固定最下端一根錨桿位置,變化上部錨桿位置時計算求解的安全系數和土體抗剪強度,比較不同位置錨桿加固時邊坡的穩定性計算結果。

（1）上部錨桿位置位于第二根時

如圖3 所示（圖中之所以建立四根,是為了方便描述錨桿設置位置,其中的兩根沒有設置相應的作用力）,采用兩根錨桿進行加固時,將上部錨桿位置設置成第二根時,計算求解得到的穩定性相關參數和滑移面指示結果,圖中位于上方紅圈旁邊位置處的橫線上方的標注值是最終計算得到的安全系數,由圖中可知,當上部錨桿位置設置成第二根時,該第四紀黏土邊坡經過兩根錨桿加固后的安全系數值為1.332,滿足《建筑基坑設計規范》中的邊坡工程應具有大于1.2 的安全系數要求,說明邊坡是安全的。

圖3 第二根和第四根有作用力時的邊坡穩定性

圖4所示為設置第二根和第四根錨桿有作用力時臨界滑面上土體的摩擦強度隨著X值的變化特征,由圖可知,當設置第二根和第四根錨桿有作用力,對該邊坡進行加固時,土體中臨界滑面上土體的最大摩擦強度約為95 kPa,并且從臨界滑面的最左側土條開始,隨著土條位置逐漸向右,摩擦強度逐漸增大,當在18 m左右位置達到極大值95 kPa后,迅速減小,當到達位置21 m左右處,減小至0 kPa左右,在達到27 m時,最終減小至0 kPa,說明臨界滑體的左半邊土體承受的摩擦強度較大,在臨界滑面上發揮了較大作用。

圖4 第二根和第四根有作用力時的滑面抗剪強度

（2）上部錨桿位置位于最上端時

如圖5 所示（圖中之所以建立四根,是為了方便描述錨桿設置位置,其中的兩根沒有設置相應的作用力）,采用兩根錨桿進行加固時,將上部錨桿位置設置成第一根時,計算求解得到的穩定性相關參數和滑移面指示結果,圖中位于上方紅圈旁邊位置處的橫線上方的標注值是最終計算得到的安全系數,由圖中可知,當上部錨桿位置設置成第一根時,該第四紀黏土邊坡經過兩根錨桿加固后的安全系數值為1.101,明顯小于將該根錨桿位置設置為第二根時的安全系數求解結果,且不滿足《建筑基坑設計規范》中的邊坡應具有大于1.2 的安全系數要求,說明邊坡是有可能發生失穩破壞的。

圖5 最上端和最下端兩根錨桿有作用力時的邊坡穩定性

圖6所示為設置第一根和第四根錨桿有作用力時臨界滑面上土體的摩擦強度隨著X值的變化特征,由圖中可知,當設置第一根和第四根錨桿有作用力,對該邊坡工程進行加固時,土體中臨界滑面上土體的最大摩擦強度約為96 kPa,并且從臨界滑面的最左側土條開始,隨著土條位置逐漸向右,摩擦強度逐漸增大,當在18 m左右位置達到極大值96 kPa后,迅速減小,當到達位置21 m左右處,減小至0 kPa左右,右端土條與臨界滑面的摩擦作用力明顯小于設置第二根和第四根錨桿有作用力時的情況,在達到24 m左右時,最終減小至0 kPa,說明左半邊土體承受的摩擦強度較大,在臨界滑面上發揮了較大作用,同時說明了臨界滑體相對于設置第二根和第四根錨桿有作用力時的臨界滑體體積較小,臨界滑面上發揮摩擦作用的土條相對較少。

圖6 最上端和最下端兩根錨桿有作用力時的滑面抗剪強度

5 結論

（1）采用兩根錨桿對土質邊坡進行加固時,當上部錨桿位置設置成第一根時,該第四紀黏土邊坡經過兩根錨桿加固后的安全系數值為1.101,明顯小于將該根錨桿位置設置為第二根時的安全系數求解結果。

（2）采用兩根錨桿對土質邊坡進行加固時,當上部錨桿位置設置成第一根時,臨界滑體相對于設置成第二根時的臨界滑體體積較小,臨界滑面上發揮摩擦作用的土條相對較少。