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土质边坡锚杆加固优化设计研究

摘要:以某高陡挖方土质边坡工程为背景,基于FLAC3D软件,分析了锚杆长度、间距、倾角等参数对边坡稳定性的影响,并探讨了锚杆的优化设计方法,给出了该边坡的优化设计方案,从而满足边坡加固经济性与安全性的要求。

关键词:锚杆,边坡,稳定性,安全系数

锚杆技术是土质高边坡治理中常见的加固手段[1,2]。锚杆设计能够随坡就势、与坡面紧密贴合、布置灵活、无需额外的占地面积、施工方便快捷、经济安全,而且锚杆支护的边坡可以在坡面上植草绿化,美化环境,保护生态[3]。因此,锚杆支护在边坡加固处理中应用越来越广泛。锚杆设计中,涉及到锚杆长度、间距、倾角等诸多参数[4,5]。设计合理的参数,可以在确保安全的前提下,进一步提高锚杆支护的经济性。本文以某高陡挖方土质边坡为工程背景,基于FLAC3D分析了锚杆长度、间距、倾角等参数对边坡稳定性的影响,探讨了锚杆优化设计的方法,并给出了该边坡的优化设计方案。

1工程背景

某小区东侧为高陡土质挖方边坡。该边坡距离最近的住宅楼约14m,高约15m,边坡坡度约为1∶0.8。该边坡地层情况如表1所示。为保证住宅楼的安全,拟采用锚杆系统对该边坡进行加固治理。

2加固前边坡稳定性分析

锚杆设计前,先采用FLAC3D有限差分软件对该边坡稳定性进行了数值模拟分析。分析过程中地层模型采用摩尔—库仑模型,采用自编的强度折减法进行稳定性分析。摩尔—库仑模型中重度、内聚力和内摩擦角参数参照表1中的数据,其余参数选取如下:体积模量1.2e8Pa,剪切模量4e7Pa,抗拉强度1e6Pa。FLAC3D计算得到的边坡稳定系数为1.08,剪应变增量云图及速度矢量图如图1所示。计算结果说明该边坡处于临界稳定状态,若遇持续降雨等扰动状态,可能会发生滑移。因此,需进行加固处理。根据剪应变增量云图,可以推断出危险滑移面的位置。

3锚杆优化设计

采用锚杆对该边坡进行加固,首先根据设计规范选取数组锚杆垂直间距、锚杆倾角以及锚杆长度的可行组合,分别采用FLAC3D进行数值分析,力求找到较优的加固设计方案。数值模拟中,地层模型仍选用摩尔—库仑模型,锚杆采用结构单元进行模拟。3.1锚杆垂直间距对边坡稳定性的影响设计锚杆倾角为20°,上下锚杆长度分别为12m或8m,锚杆垂直间距分别为2.5m,3m和3.5m进行数值模拟,间距不同时锚固体应力分布如图2所示。)间距2.5mb)间距3mc)间距3.5ma图2间距不同时锚固体应力分布图2.5m,3m,3.5m三种间距加固情况下,边坡稳定性安全系数分别为:2.6,2.1,1.7。根据CECS22:2005岩土锚杆(索)技术规程,当永久性边坡稳定性危害较大但不致出现公共安全问题时,安全系数应大于2。因此,此三种情况下,认为间距3m为较优选择。通过对三种间距下情况对比分析还可以得出如下结论:上部锚杆受力较小,主要是中下部锚杆受力;锚杆长度设置太长时,锚固体所起的锚固作用有限,因此锚杆长度可适当减小。3.2锚杆倾角对边坡稳定性的影响a)倾角15°图3倾角不同时锚杆轴力分布图b)倾角20°c)倾角25°根据3.1研究结果,锚杆垂直间距设计为3m,最下面一排锚杆长度设计为6m,其余锚杆长度设计为10m,锚杆倾角分别为15°,20°,25°进行数值模拟。倾角不同时锚杆轴力分布如图3所示。15°,20°,25°三种间距加固情况下,边坡稳定性安全系数分别为:2.1,2.0,1.8。倾角越大,安全系数减小。查询轴力最大值可知,三种情况下15°,轴力最大值最小。因此认为锚杆倾角较小时,加固效果较优。但锚杆倾角不能太小,否则影响水泥砂的灌注。3.3锚杆长度对边坡稳定性的影响根据锚杆倾角为15°,垂直间距设计为3m时,两种不同的锚杆长度模拟结论可以看出:两者的安全系数相等;锚杆长度设置太长时,锚固体所起的锚固作用有限,因此在设计过程中锚杆长度无需设置太长,其起到的加固作用有限,但经济成本会增加。

4结语

通过FLAC3D强度折减法分析,未加固边坡处于临滑状态。对锚杆加固边坡进行数值模拟,通过对比分析,认为较优的设计方案为:锚杆倾角为15°,垂直间距设计为3m,最下面一排锚杆长度设计为6m,其余锚杆长度设计为10m。该设计方案下,加固后边坡稳定安全系数为2.1,满足规范要求,能同时兼顾安全性和经济性。

作者:王刚 单位:湖南辉达规划勘测设计研究有限公司

参考文献:

[1]孟宪坤,江燕.浅谈土锚杆在土质边坡处理中的应用[J].水电施工技术,2010(3):4-6.

[2]王建明.论灌浆锚杆在粘性土质边坡加固设计中的应用[J].水利技术监督,2004,12(5):55-56.

[3]陈道远.锚杆格构梁在土质边坡支护工程中的应用[J].四川建材,2008,34(3):227-228,231.

[4]陈峰,陈银生.有限元法在边坡锚杆优化设计中的应用[J].资源环境与工程,2009,23(S1):161-163.

[5]夏伟,冯光乐,王雪刚.蒙特卡洛法在边坡锚杆优化设计中的应用[J].公路,2001(6):73-76.

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