錨桿支護形式對高陡公路邊坡穩定性的影響研究

摘要：文章采用極限平衡法，研究了錨桿長度、水平傾角和間距等設計參數對邊坡穩定性的影響規律，可為類似工程提供參考。研究表明：采用錨桿加固有效改善了邊坡的穩定性，當錨桿足夠長時，其全部發揮設計拉力對應淺層滑面的安全系數，比錨桿未完全發揮作用時的深層滑面更小；水平傾角增大時，上部滑面安全系數一直減小，下部滑面安全系數先增后減，滑動范圍呈現減小趨勢；錨桿間距減小時，安全系數減小且滑動范圍也減小，當間距gt;3 m后，所有錨桿均達到設計的抗拉強度，錨固段偏長，說明仍存在一定的優化空間。

關鍵詞：公路；邊坡；錨桿；極限平衡法；穩定性分析

U417.1+16A110344

0 引言

受施工活動、運營期荷載及環境復雜變化等多種因素影響，公路沿線古滑坡體面臨滑動風險，為提高其穩定性，需對其進行加固防護［1-3］。邊坡治理需兼顧正確認識、預防為主、一次根治、經濟合理和維護保養五項原則［4］，并在治理中注意“排、減、固、擋”四個方面。廣西某高速公路邊坡所在地沿線為高速公路建設重點區域，存在大量開挖形成的邊坡臨空面，在治理中需著重考慮［5］。對于采用錨桿加固的邊坡，應考慮錨桿結構、設計參數、布置形式等的影響，綜合考慮并擇優選擇其設計方案［6-8］。本文基于該邊坡開展分析，采用極限平衡法計算其安全系數，并分析錨桿長度、水平傾角和間距對穩定性的影響，為類似工程提供參考。

1 邊坡概況

該高速公路項目地處廣西中部大瑤山主體山脈，屬南亞熱帶季風氣候區，季節性變化明顯，具有顯著的亞熱帶山區氣候特點，陰雨天多、日照少、濕度大，夏季濕潤多雨，冬季干冷少雨。滑坡勘察區屬多雨氣候，年均降雨量遠大于蒸發量，利于大氣降水下滲形成地下水聚集。在開挖、高填等因素綜合作用下，容易誘發古滑坡復活。地質調查及鉆探結果表明，所研究邊坡場地主要由第四系（Q4）、滑坡堆積層（Ddel～Qde1）及泥盆系下統蓮花山組（D11）地層組成?，F場采集的滑帶土主要為粉質黏土夾礫石，局部為粉質黏土，灰褐色或灰黃色，礫石粒徑為1～3 cm，厚1.80～9.30 m。

本文根據邊坡特征及地質條件，選取左側高81 m，右側高30 m，水平寬度為180 m的截面進行分析，兩級邊坡臺階的坡率約為1∶1.5，如圖1所示。截面由底部基巖、滑帶和滑體三部分組成，按沿地表從上到下順序依次為滑體、滑帶、滑體、滑帶、滑體和底部基巖。邊坡存在兩條滑帶，外露處位于兩級臺階坡腳附近，后續將計算上部滑面和下部滑面兩個滑動面，前者表征邊坡的局部穩定性，后者表征邊坡的整體穩定性。為簡化計算，基巖參數按中風化泥質砂巖取值，滑體參數按滑體土進行取值，滑帶參數按干密度為1.20 g/cm3、飽和度為45%的滑帶土進行取值。

2 分析方法及參數

本文采用極限平衡法對錨桿加固邊坡進行穩定性分析，而條分法是極限平衡法的主要應用方式，該法基于Mohr-Coulomb強度準則分析土條的靜力平衡，將邊坡穩定問題轉化為剛體平衡問題進行研究。計算時將滑動面和土條均視為剛體，并認為所有土條安全系數相同，即同時進入極限平衡狀態。在計算前需預設滑動面形式，土質邊坡一般為圓弧或直線、折線形式，巖質邊坡一般假設由節理組合面構成。針對條間力的假設，主要選用Morgenstern-Price法對邊坡穩定性開展計算。

穩定性分析所用土層參數取值如表1所示，滑帶土內摩擦角取為24.1°，粘聚力取為8.3 kPa，為簡化計算，兩者的飽和滲透系數均按地勘成果取為4×10-7 m/s。計算中錨桿的相關參數如下頁表2所示，錨桿的錨固粘結段可承擔部分剪切力，但在邊坡穩定性分析中，錨桿主要作為拉壓構件進行計算，較少考慮錨桿的抗剪強度。達到設計抗拉強度約需8.5 m的錨固段，10 m的粘結長度能滿足要求。兩級邊坡臺階各均勻布置4排錨桿，邊坡上部再布置1排錨桿，合計9排錨桿，基于此進一步分析錨桿長度、水平傾角和間距對邊坡穩定性的影響。

3 邊坡穩定性分析

3.1 無錨桿加固的邊坡穩定性分析

對邊坡在無錨固條件下的穩定性進行分析，通過計算所得滑動面如圖2所示，邊坡表現出淺層破壞形式，滑帶土在上、下部滑面中占約1/3區域，對邊坡穩定性影響較大。上部滑面對應安全系數為1.341，下部滑面對應安全系數為1.229。根據一級邊坡標準，安全系數需要達到1.25～1.35，故下部滑面未達到要求。

3.2 錨桿加固后邊坡穩定性分析

對于錨桿加固后的邊坡穩定性分析，本文針對錨桿長度、水平傾角和間距三個因素，考慮其對穩定性的影響進行計算。

3.2.1 錨桿長度的影響

在分析錨桿長度對安全系數的影響時，將水平傾角設置為30°，間距設置為2 m，選取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m和45 m六種長度進行計算，得到安全系數與錨桿長度的關系曲線如圖3所示。由圖3可知，上部滑面在20 m長錨桿加固作用下，安全系數從1.341提高到1.715，增幅約27.9%，在錨桿長度從20 m增加到30 m過程中，安全系數增大，當長度超過30 m后，保持在1.95，此時增幅約為45.4%；下面滑面在20 m長錨桿作用下安全系數為1.389，相比不支護時增大13.0%，并隨著錨桿長度增加而提高，在長度35 m時為1.592，之后略微上升到1.605并保持不變，此時增幅達到30.6%。

計算得到的上部及下部滑動面如圖4和圖5所示。圖中深色長方體包含的長度為該滑動模式下錨桿的有效錨固長度，若有效錨固長度達到設計值，則錨桿達到設計抗拉強度。若有效錨固長度低于設計值，則表示在該滑動模式下難以發揮到設計抗拉強度的拉力，故將根據實際有效長度對穩定性計算中錨桿提供的拉力進行折減。若錨桿在滑動面內，那么錨桿在該滑動模式下不起作用，但這不代表錨桿未起到加固作用，正是由于在相對淺層的滑面中，錨桿的拉力有效增大了安全系數，使邊坡滑動模式向錨桿發揮作用較小的深層滑面轉變，但深層滑面的安全系數仍比原有滑面更大。

由圖4可知，在錨桿長度從20 m增加到25 m過程中，上部滑面的滑坡后緣向左側移動，滑動范圍增大，大部分錨桿未達到設計拉力。當錨桿長度gt;30 m后，滑動面不再改變，表現為錨桿完全達到設計拉力的淺層破壞模式。這表明當錨桿足夠長時，其全部發揮設計拉力對應淺層滑面的安全系數，比錨桿未完全發揮作用時的深層滑面更小，這就是圖3中上部滑面安全系數在錨桿長度超過30 m后保持不變的原因。由上頁圖5可知，下部滑面也表現出類似規律，當錨桿長度為20～35 m時，滑動面范圍保持增大趨勢，安全系數也不斷提高，中部邊坡臺階的四根錨桿在對應大范圍滑面下難以達到設計拉力的加固效果；當長度gt;40 m后，滑動面轉為錨桿完全達到設計拉力的淺層滑面，安全系數也保持不變。

3.2.2 錨桿水平傾角的影響

將錨桿長度取為35 m，間距設置為2 m，計算20°、30°、40°、50°和60°五種水平傾角條件下，邊坡安全系數與錨桿水平傾角的關系曲線如圖6所示。由圖6可知，上部滑面的安全系數隨傾角的增大而減小，從20°時的1.966降低到60°時的1.736，且降低速度不斷增大；下部滑面安全系數隨錨桿傾角增大先增后減，30°為錨桿的優化錨固角，在該水平傾角下安全系數達到最大值1.592，之后表現出與上部滑面相似的下降趨勢，在傾角60°時下降為1.458，降幅為8.4%。

水平傾角變化中的上部及下部滑動面如圖7、圖8所示，傾角30°時的滑面如圖4（c）、圖5（d）所示。對于上部滑面，隨著傾角增加，滑動面整體呈現范圍減小、向淺層滑動發展的趨勢，在傾角60°時與不加固時的形態類似。除傾角為20°的工況外，其余傾角的錨桿均能夠達到設計抗拉強度，由圖7（b）、（c）、（d）可知，錨桿拉力在垂直滑面阻滑方向的分量隨傾角增加不斷減小，從而導致圖6上部滑面安全系數加速下降。由圖8可知，下部滑面變化趨勢略有區別，當傾角從20°增大到30°時，滑坡后緣略有后移，范圍有所增大；傾角達到40°時，滑坡后緣前移，滑動面減小，所有錨桿發揮作用達到設計拉力，之后滑動模式轉向淺層滑動，整體滑動范圍保持減小趨勢，阻滑方向的錨桿拉力分量在傾角gt;30°后同樣呈現下降狀態。

3.2.3 錨桿間距的影響

與分析錨桿長度、水平傾角時的思路相同，采取控制變量法分析錨桿間距對安全系數的作用。將水平傾角設為30°，長度設為35 m，在2 m、3 m、4 m、5 m和6 m五種間距條件下的計算結果如圖9所示。在間距從2 m提高到6 m的過程中，上部和下部滑面的安全系數均有所降低，上部滑面降低幅度相對較大，達到19.8%，曲線非線性特征明顯，而下部滑面降幅為14.7%，表現出近似線性減小的趨勢。

錨桿間距分別為3 m、4 m、5 m、6 m對應的滑面如圖10、圖11所示，間距為2 m時的滑面如圖4（c）、圖5（d）所示。隨著間距的增加，上部及下部滑面范圍均減小，偏向于淺層滑動，下部滑面在錨桿間距gt;3 m后，最危險滑動面的滑坡前緣大部分位于滑帶中，和加固前的滑動面類似，上部滑面在間距gt;5 m后也出現類似現象。同時，當間距gt;3 m后，所有錨桿均達到設計的抗拉強度，錨固段偏長。

4 結語

（1）采用錨桿加固有效改善了邊坡的穩定性，改變錨桿長度、水平傾角和間距均會對邊坡的穩定性安全系數及滑動范圍產生影響。

（2）當錨桿足夠長時，其全部發揮設計拉力對應淺層滑面的安全系數，比錨桿未完全發揮作用時的深層滑面更小。

（3）水平傾角增大時，上部滑面安全系數一直減小，下部滑面安全系數先增后減，滑動范圍呈現減小趨勢。錨桿間距減小時，安全系數減小且滑動范圍也減小，當間距gt;3 m后，所有錨桿均達到設計的抗拉強度，錨固段偏長，說明仍存在一定的優化空間。

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