摘要：运用F2972LAC2D软件，分别建立锚索抗滑桩加固前后边坡的计算模型，通过对比分析两种工况下边坡的极限荷载、土体的位移和应力状态来研究锚索抗滑桩对边坡的加固效果。结果表明，锚索的锚固效果和抗滑桩的抗滑作用组成的锚索抗滑桩支护体系不仅大大提高了边坡的极限承载力，很大程度上也约束了X方向的位移，并且使土体应力重新分布，加固后土体应力分布更均匀。
关键词：FLAC；锚索抗滑桩；加固效果；作用机理
随着我国交通基础设施建设的开展和西部大开发建设的不断深入，以滑坡为主要形式的边坡工程灾害问题也越发突出，给人民的生命财产安全造成了巨大的威胁和损失，所以边坡防治工程己成为我国基础设施建设中急需解决的一个重要问题，而锚索抗滑桩就是边坡治理工程有效措施之一。相比于普通抗滑桩，锚索抗滑桩因为在桩顶增设了锚索使得抗滑桩由原来的悬臂梁式变成简支梁式的受力构件，这样桩身弯矩和剪力大大减少，分布会更加均匀合理（见图1）。
图1 锚索抗滑桩结构、弯矩示意图
1 锚索抗滑桩单元
1.1 锚索单元
锚杆常用来加固岩石工程，其主要作用是借助于锚固长度方向上水泥所提供的抗剪力来产生局部阻力，从而抵抗岩块裂缝的位移。用几何参数、材料参数以及水泥浆特性去定义锚杆加固单元。锚杆构件有两个自由度，对每个轴向位移相应有轴向力，可用一维本构模型来描述锚杆的轴向特性。轴向刚度K与加固横截面A、弹性模量E及构件长度L的关系为：
指定锚索的极限拉伸屈服强度Ft和极限压缩强度Fc，见图2。
图2 锚索构建的材料性能
锚索与周围岩石的接触具有粘结性和自然摩擦，在理想情况下节点轴向采用弹簧-滑块来描述。全长锚固剪切强度的锚杆力学模型如图3所示
图3 全长灌浆锚索的力学机理
1.2 桩单元
FLAC中的桩单元与周围网格的相互作用通过切向和法向连接弹簧来实现，这种连接弹簧是非线性结点，通过它使得桩单元节点和寄宿域网格点之间传递了力和运动。
（1）法向耦合弹簧的力学作用。桩土接触面的法向作用主要考虑粘聚力cn和摩擦角φ，用耦合弹簧的法向刚度kn、粘聚力cn、内摩擦角φ、缝隙和有效应力来反映桩土之间发生相对法向移动。当桩承受水平向荷载时，桩与土之间就会产生缝隙。如果荷载反向，必须要首先闭合缝隙，然后才能够承受反方向的力。
（2）切向耦合弹簧的力学作用。桩土接触面的剪向作用同样主要考虑粘聚力cs和摩擦角φ。其作用机理与灌浆锚杆相同。桩周切向弹簧的作用通过切向弹簧刚度ks、粘聚力cs、内摩擦角φ和桩外边界半径等参数和桩周有效应力进行反应。
2.2 FLAC计算模型及边界条件
本文基于某边坡试验模型，建立无桩支护的边坡计算模型和锚索抗滑桩支护的边坡计算模型，分别在模型的顶部逐级施加竖向荷载使滑体滑动，对比这两种工况下边坡的位移和应力来讨论锚索抗滑桩的支护能力。
试验土体以黄土为介质，土的比重γ=18.6kN/m3，粘聚力c=18kPa，内摩擦角φ=20°。考虑边界影响，模型按张鲁渝、郑颖人等人（2003）的建议进行放大。边坡上下边界距10m，左右边界距25.5m。除边坡临空面外，左右边界施加水平约束，底部施加水平和竖直约束。土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。图4为边坡计算模型及单元划分。
图4 边坡计算模型及单元划分
抗滑桩为钢筋混凝土预制桩，截面尺寸为150mm×200mm，混凝土的强度等级为C20，桩周配筋时主筋Φ10的钢筋，箍筋采用单肢Φ4@200的铁丝。抗滑桩间距0.8m，桩长4m，悬臂段和嵌固段均为2m。锚索钢筋的直径为Φ10，倾斜角度为20°，锚索长度为7m，锚孔直径120mm，采用M2.5水泥砂浆浇注。图5为锚索抗滑桩支护边坡的边坡计算模型。
图5 锚索抗滑桩支护边坡计算模型
3 计算结果分析
3.1 边坡承载力分析
对边坡加固前后数值模型在边坡顶部逐级施加荷载，单次加载量为10kPa，用FLAC2D计算在各级荷载下边坡的受力变形，寻找边坡的极限荷载。结果表明：无桩支护时边坡在坡顶荷载达到70kPa时破坏，此时的安全系数为1.0，滑面上土体塑性屈服，坡面上和坡体后缘发生拉伸破坏；当采用锚索抗滑桩支护时边坡在90kPa时边坡破坏，此时的安全系数为1.03，滑面上土体达到塑性屈服。相比较，边坡加固后承载力提高了28.5%。
3.2滑体位移分析
锚索抗滑桩的抗滑效应产生的原因是锚索锚固段形成的锚固力和抗滑桩的抗滑作用使得桩后滑体产生不均匀位移，对比边坡加固前后X、Y向的位移模拟结果，可得：
（1）滑体在加固前后同等级荷载下X方向位移等值区变化明显。加固前边坡在70kPa荷载下达到极限平衡状态，滑体位移等值区可分为5个区段：坡体前缘位移为0.1～0.2m，位移值从坡面向坡体后部逐级递减为0.08～0.1、0.06～0.08、0.06～0.04m，坡体后部位移为0.04～0.02m；加固后在70kPa荷载下滑体位移等值区可分为7个区：位移最大值出现在桩顶与锚索连接的部位，其值为0.05～0.06、0.05～0.04、0.03～0.04m，与桩体接触的坡面位移值较小，为0.02～0.03m。结果表明：锚索抗滑桩加固后的边坡位移值远小于加固前的边坡位移值，这说明在锚索抗滑桩的约束下，坡面位移得到了有效约束，锚索抗滑桩阻止了滑体的整体滑动，起到了坡面整体加固的效果。
（2）滑体在加固前后同等级荷载下Y方向位移等值区差距不大。加固前后位移等值区都是5个区，最大值均出现在坡顶荷载作用的部位，加固后Y方向最大位移比加固前减少了0.045～0.05m，且加固前滑体在潜在剪出口位置出现向上的位移，最大值为0.075m。因为在后部滑体推力的作用下，潜在滑动面前缘向上隆起，形成反翘现象。加固后此部位位移相比加固前较大。
3.3 滑体应力分析
由于边坡锚固前后滑体产生了不均匀位移，应力得到重新分布。对比边坡加固前后X向的应力变化情况，结果表明：
（1）应力值变化不大，但应力分布范围变化较明显；应力最大的部位均出现在荷载作用的部位、坡脚以及边坡底部；
（2）加固前X向的应力值在坡脚出现应力集中，坡体内的应力沿着潜在滑面分布并向内增大，锚索抗滑桩加固后坡脚的应力集中得到了很大的改善，其值减小了10kPa；
4 结论
本文基于某边坡试验，建立了锚索抗滑桩支护前后边坡的数值模型，计算了加固前后边坡的水平位移、竖直位移以及水平方向的土体应力。研究表明，锚索抗滑桩支护下的边坡极限承载力大大提高，水平位移得到了极大的约束，但是竖向位移除了改善临近坡脚处的反翘现象外变化不大，并且因为锚索抗滑桩的锚固和抗滑桩作用，土体应力进行重新分布，坡脚处的应力集中得到了改善，水平方向的应力分布更加均匀。
参考文献：
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[3]陈育明，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
作者简介：杨晔（1971-），女，辽宁辽阳人，工程师，主要从事铁路及公路工程施工，研究方向为桥梁、隧道与边坡加固工程。
（作者单位：中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136）
论文作者:杨晔
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：位移论文; 应力论文; 荷载论文; 模型论文; 锚固论文; 作用论文; 弹簧论文; 《基层建设》2019年第14期论文;