何广科
中铁二十一局集团第五工程有限公司 甘肃 兰州 730050
摘要：采用FLAC-3D有限差分软件对框架锚杆和土钉联合加固陇南某多级边坡进行数值计算，对比分析了未加固和不同加固阶段的边坡安全系数、位移和剪切应变增量及土钉和锚杆轴力的变化规律，通过理正岩土计算的安全系数对比验证了三维数值模型的正确性。结果表明：分级联合加固后边坡稳定性明显提高，整体位移减小，剪应变增量集中带向坡体内部发展，受力最大的土钉和锚杆分别出现在一级边坡中下部和二级边坡上部，可为类似工程设计提供参考。
关键词：多级黄土边坡；土钉；框架锚杆；数值计算
Numerical analysis of Multistage loess slope strengthened with frame anchor and soil nailing
GUANGKE HE
（China Railway 21 Bureau Group Fifth Engineering Co.，Ltd..，Lanzhou 730050）
Abstract：The FLAC-3D finite difference software is applied to calculate a soil nailing and anchor supporting multistage slope in Longnan. The safety coefficient，displacement，shear strain increment and the axial force distribution of soil nailing and the bolt are analyzed in different stages. The three-dimensional numerical model is verified by comparing the safety coefficient with rock and soil software. The results show that the stability is obviously improved，displacement is reduced，shear strain increment concentrating zone is developed into body. The greatest force of soil nailing and anchor appear in lower of first and the upper of second grade slope respectively，which provide valuable reference for similar project design.
Key words：Multistage loess slope；Soil nailing；Frame anchor；Numerical analysis
1 引言
滑坡灾害在我国普遍发生，每年因滑坡灾害造成了巨大损失，因此滑坡灾害治理和稳定性分析都是岩土工程界的热点问题。传统重力式挡土墙、衡重式挡土墙等在工程实践中暴露出了诸多不足，无法满足大规模高陡边坡工程建设的需求[1，2]。土钉、框架锚杆、加筋挡土墙等轻柔性结构克服了传统边坡刚性支护结构笨重、支护高度受限和稳定性差等缺点，在边坡工程建设中得到广泛应用。贺若兰等[3]对土钉支护砂土、粉土及软黏土边坡的破坏模式进行数值模拟，表明破坏形态太下部凸起的流鼓状。胡长明等[4]基于非饱和土强度理论，给出了土钉支护边坡整体稳定性最小安全系数计算方法。郑善义[5]建立了考虑立柱和横梁的弯曲和扭转作用影响的框架有限元计算模型，并编制了计算程序。韩爱民等[6]通过现场试验和数值仿真对框架预应力锚杆加固边坡的力学响应、支护体系与坡体相互作用的空间力学效应及对设计参数的敏感性等进行了研究。
近年来，在高陡边坡加固中采用框架锚杆、土钉、微型桩等相结合的工程越来越多，采用分级组合支护，即可得到经济合理的方案，又提高边坡稳定性。李忠等[7]基于极限平衡理论，推导了多级边坡滑移面的控制参数与安全系数之间的函数关系，并通过编程搜索最危险滑移面及确定最小安全系数。李彦初等[8]采用ABAQUS对土钉、预应力锚索、钢管桩复合土钉支护基坑进行全过程模拟计算。周勇等[9]采用FLAC-3D对框架锚杆加固二级边坡进行了数值模拟，结果表明：分级支护后坡体的水平和竖向位移得到有效控制，边坡稳定安全系数明显提高。这种不同结构组合同时作用于边坡上，边坡内部应力分布复杂，结构受力复杂，对理论计算和分析带来困难，目前对于土钉、框架锚杆组合加固多级边坡的研究还不足，设计计算落后于工程实践。因此，研究多级边坡组合加固对于高陡边坡治理提供参考具有重要意义。
FLAC 3D是由Itasca公司开发的一种三维显示有限差分数值计算分析软件，该软件可较好的模拟岩土材料的三维力学行为，在散体材料弹塑形分析、大变形及锚固结构与岩土共同作用等方面具有较大的优点，可用于边坡稳定和基础设计，在解决岩土工程问题上有明显的优越性[9]。本文采用FLAC 3D有限差分软件多土钉、框架锚杆联合加固多级边坡进行三维非线性研究，建立了数值计算模型，分析了加固前后边坡安全系数、水平位移、土钉、锚杆轴力分布及塑形区发展规律，为联合支护措施加固多级边坡工程提供参考。
2 工程算例
2.1工程概况
拟加固边坡位于成武高速公路沿线陇南市甘子沟，根据现场钻探报告，边坡土层包括杂第四系填土、坡残积层黄土和泥岩。地形起伏显著，坡度50°～70°，坡体长度70m左右，坡高为13～19.5m。在天然状态下，该边坡处于临界或不稳定状态，道路穿过坡脚，需进行边坡加固。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）[10]可确定为永久边坡，安全等级为一级，土层条件和力学参数见表1所示。选取代表性地段进行加固设计及模拟分析。
表1 边坡土体力学参数
图1框架锚杆联合土钉支护结构布置图（单位：mm）
2.3 数值模型建立
采用大型FLAC3D建立框架锚杆联合土钉加固多级边坡三维数值模型。为了满足圣维南原理，模型尺寸（x×y×z）为80m×10m×40m。土体采用实体（Zone）单元，并满足摩尔-库仑弹塑形模型。单元数为26850个，网格节点39640个。挡土板（钢筋网）采用壳（shell）单元，土钉和锚杆均采用锚（cable）单元模拟，锚固预应力设计值为120kN，框架梁、柱采用梁（beam）单元。框架、挡土板、土钉和锚杆的材料为线弹性。模型左、右面边界为水平向约束（x向），底面为水平和竖向约束（x和y向），其余各面均自由。土层和支护结构力学参数分别见表1和表3。
表3 支护结构力学参数
由表4可知，两种软件计算结果较为相近，说明本文采用FLAC 3D 建立的计算模型是可靠的。但与理正岩土计算结果相比，采用FLAC 3D强度折减法计算三种不同状态得到的安全系数均偏大，其原因在于：FLAC 3D是采用三维模型，考虑了横向土体的约束作用，而且有限差分数值法考虑了土体应力场对安全系数的影响，从物理意义上来讲，计算结果更为精确。根据规范要求判断，未加固边坡的稳定安全系数小于1，说明该边坡开挖后处于不稳定状态，不满足要求需要整体加固处理。一级边坡经土钉加固后安全系数增加为1.105，说明土钉发挥支挡效果，边坡处于稳定状态，但安全储备不够，仍不满足规范要求。经框架预应力锚杆加固二级边坡后安全系数增加为1.512，说明边坡通过土钉与框架锚杆分级加固后，稳定系数明显提高，支挡结构各自发挥锚固效果，安全系数大于规范要求的最小值Fs=1.35。因此，可认为加固后的边坡处于稳定状态。
3.2水平位移分析
为了分析土钉、框架锚杆逐级加固时边坡位移的变化情况，选取未加固、一级加固、二级坡体完全加固不同阶段的坡面水平位移进行分析，如图2所示。
图3 完全加固时土钉和锚杆轴力分布
由图3（a）可知，土钉轴力沿轴向先增大、后减小，呈“枣核”状分布。从第一排到第六排，土钉轴力最大值先增大、后减小，其中第四、五排土钉轴力较大，第四排达最大，其值为64.4kN。说明一级边坡中下部土钉轴力较大，且与边坡位移相吻合，设计加固时，考虑加大中下部土钉的长度。从（b）可以看出锚杆轴力分布规律为同一根锚杆在自由段轴力大小基本相同且最大，锚固段轴力呈线性减小，末端轴力最小。第一排锚杆轴力最大为137.5kN，从上到下依次减小，最底部轴力最小，其原因在于：相对于二级边坡来讲，一级边坡相当于超载，在一级边坡和框架锚杆共同作用下，锚杆上部锚固力较大。因此，设计两级边坡加固时，第二级边坡中上部锚杆可考虑加长。
3.3 剪切应变增量分析
大量研究结果表明，岩土体的破坏大多是沿剪应变最大的区域发生。根据剪应变增量的大小来判断边坡潜在滑移面的位置，增量较大，变形破坏沿此处发生；而增量较小的部位，土体一般不会发生较大的变形破坏。分别提取边坡未加固、一级土钉加固及完全加固三个阶段的剪切应变增量如 4 所示。
图4不同时刻边坡剪切应变增量云图
由图4可知，对比不同阶段发现，边坡未加固前剪应变增量最大，最大值位于二级边坡中下部，即为发生剪切破坏的最危险部位，且剪切应变增量最大集中带由坡底向坡顶延伸，基本贯通至坡顶，集中带位置就是边坡的潜在滑移面位置。土钉加固一级边坡后，剪切应变增量最大值减小，在土钉加固区域内集中带明显减少，说明土钉锚固作用下，一级边坡基本趋于稳定。框架锚杆加固二级边坡后，剪应变增量降到最低，集中带且向坡体内部发展，即滑移面后移，在土钉和框架锚杆联合支护作用下边坡已基本稳定。
4 结 论
（1）建立了框架锚杆联合土钉加固多级边坡三维数值模型，并与理正岩土计算进行对比，验证了模型的可靠性；分级联合加固后边坡安全系数明显增加，稳定性提高，加固效果明显。
（2）土钉和框架锚杆联合分级加固边坡后，坡面水平位移分布较为均匀，整体位移得到有效控制；剪应变增量降低，集中带向坡体内部发展，滑移面后移。
（3）受力最大的土钉出现在一级边坡中下部，锚杆出现在二级边坡上部，可为联合支护设计提供参考。
参考文献
[1]陈洪凯，唐红梅，崔志波，等. 公路高边坡地质安全与减灾[M].北京：科学出版社，2010.
[2]王辉. 预应力锚杆复合土钉支护体系施工阶段的灾变机理研究[D]. 郑州大学，2016.
[3]贺若兰，李宁，张平．土钉支护结构破坏模式和加固机理分析[J].岩土力学，2008，29（1）：197- 202．
[4]胡长明，李文广. 土钉支护结构整体稳定性的动态分析[J]. 西安建筑科技大学学报（自然科学版），2005，37（1）：78-81.
[5]郑善义. 框架预应力锚杆支护结构的设计与分析研究[D]. 兰州理工大学，2007.
[6]韩爱民，李建国，肖军华，等. 预应力锚杆框架梁的支护力学行为研究[J]. 岩土力学，2010，31（9）：2894-2900.
[7]李忠，朱彦鹏. 多阶边坡滑移面搜索模型及稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25（s1）：2841-2847.
[8]李彦初，陈轮．深基坑复合土钉支护的三维有限元数值分析[J]. 工程勘察，2012，（2）：11-15．
[9]周勇，张鹤，方嗣茂. 框架预应力锚杆分级支护边坡的数值模拟研究[J]. 建筑科学，2013，29（5）：11-14.
[10]中华人民共和国行业标准编写组. GB50330-2013，建筑边坡工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
论文作者:何广科
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/16
标签：锚杆论文; 框架论文; 安全系数论文; 数值论文; 增量论文; 应变论文; 位移论文; 《防护工程》2018年第11期论文;