王　博， 郭　昕， 叶　青， 冯小雨

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；　2.长沙理工大学， 湖南 长沙　410114)



龙永高速公路断裂带边坡锚杆加固规律探究

王博1， 郭昕2， 叶青1， 冯小雨2

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；2.长沙理工大学， 湖南 长沙410114)

摘要：通过对龙永高速软弱断裂带中典型失稳边坡进行研究，基于FLAC 3D对锚杆加固中锚杆长度和锚固角对边坡稳定性的影响进行了计算分析；研究了最优锚固角下锚杆长度变化对稳定性的影响及锚杆轴力的分布规律，提出了最优锚固角和最佳锚固长度的具体数值，并指出了加固中需要注意的关键部位，研究成果对锚杆加固设计、施工中的侧重点有良好的理论指导意义。

关键词：边坡； 软弱断裂带； 锚杆加固； 最优锚固角； 数值模拟

边坡的加固措施一直是施工过程中相当关注的问题，关系到边坡的稳定性；锚杆加固作为一种常见的边坡加固方式，因其具有对原坡体扰动小、施工速度快、成本低等优点而广为使用。但在施工过程中也存在有部分边坡因勘察和设计失误而导致边坡失稳引发垮塌的现象，因此优化锚杆加固施工中的几个工程参数可有效提升加固的处治效果[1，2]。

在以往的研究中，针对锚杆长度、锚固角的影响效果都有所研究，也提出了最佳锚固长度和最优锚固角的概念；部分学者也研究过锚杆长度和坡率变化对边坡稳定性的影响。在龙永高速施工中，部分边坡因前期设计对软弱结构面影响考虑不足而出现了失稳，在此前提下主要考虑使用锚杆加固的方式。因此，本文拟采用近年来岩土工程中使用较多的数值模拟方法建立计算模型，对锚杆长度和锚固角在软弱断裂带典型边坡的稳定性中影响效果进行分析[3，4]。

1龙永高速公路断裂带边坡特征分析

龙永高速走廊带穿越了农车断裂带，开挖成型的边坡垮塌比例较高，通过对沿线边坡进行调研分析可知：在进行调研的47座边坡中，开挖后发生过垮塌的占38%，其中89.47%的垮塌边坡进行过重新设计，造成该现象的主要原因有：

1) 沿线岩质边坡地处断层碎裂带边缘，受地质构造影响显著，岩体完整度较差，块状偏小，岩体风化较严重，抗剪切强度较小；

2) 岩体以节理、裂隙发育的强风化砂质页岩和粉质粘土中夹强风化页岩块石两大类为主，强风化层厚度大，岩质较软，整体结构松散；

3) 开挖过程中，未采取防护加固措施，未能及时刷坡；

针对上述边坡失稳垮塌现象，后续设计主要做了两方面调整： ①放坡，增大坡率； ②原植草防护变更为锚墩锚杆防护，本文主要对第2种方案进行研究。

2基于FLAC 3D研究方法概述

2.1边坡计算模型

如图1所示建立FLAC 3D模型，共4060个节点、1926个单元。坡高23 m，为二级边坡，坡率均为1∶1。坡脚至左边界的长度为10 m，坡顶至右边界的长度为35 m。强度特征描述采用摩尔-库伦模型，弹性模量为8 GPa，泊松比为0.25，粘聚力为15 kPa，内摩擦角为24.48°，重度为28 kN/m3。

边界条件为： 下部固定，左右两侧水平约束，上部为自由边界；计算收敛准则为不平衡比率满足10-5求解要求；边坡稳定性系数采取强度折减法进行计算，并以计算是否收敛作为边坡是否失稳的判定依据。

图1　锚杆加固边坡数值模型

2.2锚杆的FLAC 3D模型

模拟计算采用锚杆单元(cable)进行，该单元主要通过几何参数、材料参数和水泥浆特性来定义[5]。锚杆构建在工作中可受拉、压屈服，但不能抵抗弯矩。进行计算需要获取的参数有：锚杆的横截面积、锚杆的弹性模量、锚杆的拉伸屈服强度、锚杆的压缩屈服强度、锚杆的外周长、水泥浆的刚度、水泥浆的粘聚力、水泥浆的摩擦阻力等。水泥浆刚度由实验室通过拉拔试验测得，粘结强度和摩擦角可以从不同围压条件下的拉伸试验获得，锚杆物理参数值如表1所示。

表1 锚杆物理力学参数弹性模量/GPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)横截面面积/mm2单位面积上水泥浆刚度/GPa单位长度水泥浆粘结力/kPa周长/mm200210267061.025430

3锚杆长度与锚固角组合对边坡稳定性的影响分析

研究表明锚杆长度较短时，对稳定性的增强效果随长度的增加而增强，但当达到一定长度后则增强效果并不明显；锚固角的不同针对同一长度的锚杆，在加固效果上也有所区别。在加固设计中，上述两个参数是设计的重点，可先对锚杆角进行确定，在最优锚固角的前提下研究锚杆长度变化对边坡的影响[6]。

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3.1最优锚固角分析

以锚杆长度6、10、15 m为例，锚固角范围为[0°，45°]，变化区间为5°，计算边坡安全系数，计算结果如图2所示。

图2　锚杆倾角与安全系数关系曲线

由图2可知： 锚杆长度分别为6、10和15 m时，随锚固角增大，安全系数均呈先增大后减小的趋势，可见存在最优锚固角θ。当锚杆倾角在[0°，25°]之间时，安全系数变化较缓慢，锚杆倾角对安全系数影响较小；倾角为10°时，安全系数达到最大峰值，最优锚固角可采用10°左右的倾角。倾角在[30°，45°]之间时，安全系数急剧下降，锚杆的加固效果明显减弱，因此锚杆进行边坡工程加固时，不建议采用大于30°的锚固角。基于上述分析，本文在研究锚杆长度的影响时，最佳锚固角暂定为10°[7]。

3.2锚杆长度对加固效果影响

基于上述分析，当锚固角取10°时对锚杆长度进行改变，并探求不同长度下边坡稳定性的变化情况。锚杆长度范围为[6 m，22 m]，分别对7组不同锚杆长度下的边坡安全系数进行计算，得到如图3所示结果。

图3　安全系数和锚杆长度的关系

由图3所示变化规律可知：在6～15 m长度内随锚杆增长而稳定系数增加，当锚杆长度达到15 m，安全系数基本维持在1.44；10～12 m这一区间内曲线斜率最大，说明此长度区间内增长锚杆长度对提高稳定系数效果最为明显，而后增加幅度很小，18 m后呈下降趋势。可见锚杆加固存在有效锚固长度，当锚固角为10° 时锚杆的最佳锚固长度约为15 m。

4加固过程锚杆受力分析

以上文模型中边坡为研究对象，基于前文研究成果，假定锚杆角为10°、锚杆长度在最佳锚固长度以内，分析轴力与锚杆长度之间的关系。计算结果见图4和表2所示。

图4　锚杆轴力与锚杆长度关系

表2 轴力最大位置与锚杆长度关系m锚杆长度轴力最大位置64106157

由前文计算可知，当锚固角为10°时锚杆的最佳锚固长度在15 m左右，因此采用6、10和15 m 3组长度进行计算，由图4和表2可知：轴力沿锚杆方向呈先增大后减小的趋势，锚杆轴力的最大值也随长度的增加而增大，各曲线出现峰值前重合部分较多且出现峰值的位置随锚杆长度的增加而逐渐接近，并最终在8 m附近。

此工况下3组锚杆轴力云图如图5～图7所示。

图5　锚杆长度6 m时锚杆轴力云图

图6　锚杆长度10 m时锚杆轴力云图

图7　锚杆长度15 m时锚杆轴力云图

由上述3组工况的计算结果可知：

1) 沿边坡垂直由上往下方向，锚杆内轴力逐渐增大，一级坡锚杆轴力较二级坡锚杆轴力偏大；

2) 轴力沿锚杆方向分布不均匀，呈现两端小中间大的特征且轴力最大值逐渐靠近锚头位置，这是因为锚头靠近边坡潜在滑裂面，潜在滑裂面的剪切滑移引起锚杆的拉力达到最大值；

3) 边坡底部锚杆对加固效果影响更大。

5结论

1) 龙永高速公路软弱断裂带边坡开挖高度普遍较低，但在初步设计中对其认知度不够而未采取锚杆加固等更为有力的加固措施，导致加固效果并不佳，也为后续的施工提供了参考材料：软弱断裂

带边坡的稳定性差，二级边坡许多也需要进行锚杆加固处治。

2) 基于FLAC 3D进行锚杆加固参数与稳定性关系分析可知，研究对象的最佳锚固角为10°、最优锚固长度15 m，在此范围内随锚杆长度的增加稳定系数呈增长趋势；龙永高速此类二级边坡中建议采取锚固角不大于30°、锚杆长度在15 m以内。

3) 通过锚杆轴力计算可知：边坡底部锚杆对加固效果影响更大，因此施工中不可随意减少底部锚杆的数量和长度，必要时还可增加底部锚杆的长度来提升加固效果。

参考文献：

[1] 陈小波，刘兴武，曹前，等.基于FLAC-3D有限差分法的路堑高边坡支护模型比较分析[J]. 公路工程，2014，39(1)：188-191.

[2] 张玉灯.边坡稳定性分析的FLAC数值模拟法[J]. 路基工程,2006(6)：89-90.

[3] 刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 张玉灯.锚杆长度对边坡稳定性影响的数值分析[J].岩土工程学报，2009，31(3)：470-473.

[5] 林杭，钟文文，熊威，等.锚杆长度与边坡坡率对最优锚固角的影响[J]. 岩土工程学报，2014，32(2)：7-9.

[6] 蒋明杰.锚杆(索)最佳锚固角的取值分析[J].勘察科学技术，2013(3)：29-31.

[7] 唐湖北，蒋华春，黄伟.锚杆支护方式对边坡稳定性的影响研究[J]. 公路工程，2012，37(1)：62-64.

中图分类号：U 416.1+4

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0013-03

作者简介：王博(1981-)，男，工程师，主要从事高速公路建设管理工作。

基金项目：①2012年度湖南省交通运输厅科技进步与创新计划：断层软弱结构面高边坡灾变防控及高边坡建养一体光纤式智能监控技术研究(201205)；②2015年长沙理工大学研究生创新项目：基于建养一体的高边坡光纤式智能监控技术研究。

收稿日期：2016-01-04