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．