锚杆抗滑桩加固边坡的数值模拟研究_姜红斌.pdf

：锚锚杆杆抗抗滑滑桩桩加加固固边边坡坡的的数数值值模模拟拟研研究究姜红斌（中国水电四局北方公司，甘肃 兰州）摘要锚杆抗滑桩组合结构加固边坡能够达到理想的支护效果，支护后的边坡的安全性系数、塑性区、位移等是否满足工程要求。针对此问题，本文利用 对锚杆抗滑桩组合结构加固的边坡进行了研究，研究结果表明：（）边坡的位移均不超过 ，从位移的角度分析，此组合结构加固方式是合理的。（）加固后边坡的塑性区没有发生贯通，塑性破坏最少的坡体区域位于弱风化泥质粉砂岩层，此岩层主要布置了锚杆，说明锚杆有效的阻止了岩土体的塑性破坏。（）锚杆的位移和受力变化关系较为对应，说明了锚杆发挥了应有的作用。综合以上可知，锚杆抗滑桩组合结构达到了治理边坡失稳的目的。以上的研究方法可供类似的边坡治理工程提供参考。关键词锚杆；抗滑桩；数值模拟；位移和受力；安全系数中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介姜红斌（），男，甘肃庆阳人，工程师，主要从事水利水电工程施工技术方面工作。前言锚杆技术在边坡或滑坡治理工程中应用广泛，学者们也进行了大量的研究。孙武等对台风地区锚杆支护边坡进行了研究，研究结果表明：锚杆格构支护条件下的边坡的安全系数得到了明显的提升。杨文广等对桩锚支护条件下的边坡进行了系统的研究，研究结果表明：锚杆入射角为，预应力为 时，坡体的位移变化最小。周凯对预应力锚杆支护条件下的边坡岩土体的变形进行了研究，研究结果表明：锚杆施加的预应力应当控制在自身预应力的 倍，在此条件下边坡岩土体的变形最小。陈云生等对不同入射角，不同锚杆长度条件下支护边坡的稳定性进行了研究，研究结果表明：边坡自上而下锚杆按照“中 长 短”的布置方式，边坡的稳定性系数最高，治理边坡的效果最佳。张军州对锚杆技术进行了研究，研究结果表明：锚杆施工过程中，加强边坡的排水，更能发挥锚杆的作用。本文在总结前人对锚杆研究的基础上，对锚杆抗滑桩治理边坡的位移、安全性系数，塑性区、锚杆的位移和受力进行了系统的研究。图 边坡剖面图工程概况边坡平面形态呈横矩形，后缘呈弧形，剖面形态呈阶梯形。边坡体物质为粉质黏土、弱风化泥质粉砂岩和泥质粉砂岩。粉质黏土呈黄褐色，结构松散 稍密，可塑 硬塑状。弱风化泥质粉砂岩和泥质粉砂岩常见粒径 ，砂岩含量约 ，选择的典型坡面如图 所示，长 高为 ，坡面坡度为 ，共计两个平台。岩土体的物理力学性质如表 所示。表 岩土体物理力学参数岩土层重度 粘聚力 内摩擦角 体积模量 剪切模量 泊松比 粉质黏土 弱风化泥质粉砂岩岩 泥质粉砂岩 利用极限平衡法对边坡的推力进行研究，如图 所示，计算结果如表 所示。图 边坡最危险滑动面位置（单位：）如表 所示，第 块滑坡处抗滑力已大于下滑力，说明此处已有抗滑段，计算出最终的滑坡推力为 ，结合此滑坡推力数值和岩土体工程力学性质，设计锚杆 抗滑桩组合结构对边坡进行支护。锚杆选择 钢筋，长度为 ，锚杆的横向和纵向间距分别为 和 ，锚杆同水平面夹角为，选择 水泥砂浆灌注锚杆孔洞。选择长 宽为 的框架设置于坡面处，框架梁节点间距为 ，喷射砼为，框架梁嵌入坡面 ，露出坡面 。于一级平台处设置抗滑桩，抗滑桩长 宽 高为 （图），喷射混凝土和抗滑桩的参数详 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.见表。表 自然工况下边坡的剩余下滑力条块编号条块宽度 滑面弧长 滑面倾角 传递系数下滑力 抗滑力 滑坡推力 图 锚杆 抗滑桩支护布置表 支护结构参数表材料名称本构模型重度 弹性模量 泊松比 抗滑桩弹性 喷射混凝土弹性 数值模拟 模型的建立因 能够较好的还原边坡及其支护措施，因此选择此软件进行边坡支护的数值模拟。锚杆假定为弹性材料，利用 单元对锚杆进行模拟，弹性模量为 ，泊松比为 ，水泥浆粘聚力和刚度分别取值 和 ；锚杆与水泥浆设置接触面，接触面剪切和法向刚度分别为 和 ，粘聚力和内摩擦角分别为 和，假定粉质黏土、弱风化泥质粉砂岩和泥质粉砂岩满足 变化准则，数值模拟三维立如图 所示。图 锚杆 抗滑桩支护边坡模型图 边坡的位移和塑性区数值模拟计算完成后，边坡的水平和竖向位移如图 所示。图 锚杆 抗滑桩支护边坡位移云图如图（）所示，粉质黏土层最大水位位移约为 ，弱风化泥质粉砂岩层最大水平位移约为 ，泥质粉砂岩层最大水平位移约为 。由以上数据可知，弱风化泥质粉砂岩层的水平位移最大，粉质黏土层水平位移最小，然而以上的位移均不超过边坡支护后的预警位移值 ，说明支护后的边坡从水平位移角度考虑是满足工程要求的。如图（）所示，粉质黏土层最大竖向位移约为 ，弱风化泥质粉砂岩层最大竖向位移约为 ，泥质粉砂岩层最大竖向位移约为 。由以上数据可知，弱风化泥质粉砂岩层的竖向位移最大，粉质黏土层竖向位移最小，然而以上的位移均不超过边坡支护后的预警位移值 ，说明支护后的边坡从竖向位移角度考虑是满足工程要求的。由图 可知，锚杆 抗滑桩支护后的边坡的水平位移和竖向位移，均集中于弱风化泥质粉砂岩层，但是以上位移均不超过安全预警值，说明锚杆 抗滑桩支护后在控制坡体位移方面达到了理想的效果。如图 所示，粉质黏土层岩土体塑性区最多，其次为泥质粉砂岩层，弱风化泥质粉砂岩层岩土体的塑性区最少。原因是弱风化泥质粉砂岩层区域布置了土钉，土钉有效的阻止了塑性区的进一步扩展，泥质粉砂岩层布置了抗滑桩，抗滑桩也有效阻止的岩土体的塑性破坏，另一方面泥质粉砂岩层因为弹性模量和体积模量较大，不易发生塑性破坏。图 塑性区分布图 锚杆的位移和受力锚杆的位移和受力模拟如图 和图 所示。图 锚杆最大位移云图（单位：）图 锚杆轴力云图（单位：）如图 所示，锚杆的锚头部分的位移最小，约为 ，此位移可忽略不计。上半部分的锚杆的位移普遍小于第 卷第 期地下水 年 月下半部分锚杆，最大锚杆位移约为 ，主要位于中下部锚杆，下部锚杆位移小于中部锚杆的原因是下部锚杆接近于抗滑桩所在位置，抗滑桩能够有效的防止坡体的位移，进而下部锚杆的位移较小。然而以上锚杆的位移均不超过，不会对工程造成不良影响，且能够有效的发挥锚杆的作用，防止坡体岩土体的塑性破坏。如图 所示，锚杆锚头部分受力最小，锚杆所受力最大位移在下部锚杆的中下部，此受力变化规律与锚杆的位移规律相对应，说明了锚杆的受力规律是合理的。由图 和图 可知，锚杆的位移和受力均控制在工程允许的范围内，且两者关系较为对应，说明了锚杆的位移和受力是满足锚杆应力应变规律的。数值模拟结果分析数值模拟计算完成以后，粉质黏土层最大水平位移约为 ，弱风化泥质粉砂岩层最大水平位移约为 ，泥质粉砂岩层最大水平位移约为 。弱风化泥质粉砂岩层的水平位移最大，在此条件下应当在弱风化泥质粉砂岩层施加锚杆，以此控制坡体的位移，同时达到提高坡体稳定性的目的。另一方面通过施加锚杆后，锚杆的受力和位移均控制在工程允许的范围内，说明锚杆发挥了其作用，达到了治理边坡失稳的目的。锚杆抗滑桩组合结构施加以后，边坡的安全性系数达到，此安全性系数达到了边坡治理的要求，从安全性系数方面，锚杆抗滑桩组合结构达到了治理边坡失稳的目的。另一方面，边坡的塑性区没有贯通，尤其在弱风化泥质粉砂岩层区域，塑性区最少，说明锚杆的施加有效的阻止了此区域岩土体的塑性破坏。锚杆的最大位移和受力均控制在工程允许的范围内，说明锚杆发挥了其相应的作用，此边坡施加锚杆是合理的。结语本文结合某边坡工程，采用锚杆抗滑桩组合结构加固方法，通过对坡体的位移、塑性区分析、锚杆的受力和位移进行分析，可得如下结论：（）边坡的位移主要发生于岩土层中部，即弱风化泥质粉砂岩层，因此在此区域施加锚杆是合理的，边坡的位移控制在工程允许的范围内，从位移分析的角度考虑，锚杆抗滑桩组合结构达到了治理边坡失稳的目的。（）锚杆抗滑桩治理边坡后的安全系数超过 ，说明以上组合结构治理边坡从安全系数方面考虑，达到了工程要求。（）锚杆的位移和受力变化关系较为对应，说明锚杆发挥了应有的作用，锚杆抗滑桩组合结构治理边坡达到了理想的效果，该治理方案可行。参考文献孙武，刘欣，钟顺元，等 台风地区锚杆格构梁挂网植草支护应用 路基工程（）：杨文广，费维水，李茂，等 高边坡支护与锚索锚固参数优化研究 施工技术（中英文）（）：周凯 基于 的某高速公路边坡稳定性分析 西部交通科技（）：陈云生，苏初明 锚杆布设方式及长度对边坡稳定性的影响分析 西部交通科技（）：张军州 关于对高速公路边坡防护治理的研究 低碳世界（）：（上接第 页）证，进行可行性分析，减少因填海造地造成的环境地质问题。参考文献广东省地质调查院 珠江三角洲经济区 万生态环境地质调查报告 广东省地质调查院 万珠海区域地质综合调查报告 张永战，朱大奎 海岸带全球变化研究的关键地区 海洋通报 （）：戴志军，李春初，陈锦辉 华南海岸带海陆相互作用研究地理科学进展 （）：黄振国，李平日，张仲英，等 珠江三角洲形成发育演变广州：科普出版社广州分社 oo oo o o o o o 朱小鸽 珠江口海岸线变化的遥感监测 海洋环境科学（）：，支兵发 珠江三角洲海岸异常变迁的生态地质环境效应 中国地质调查局编 海岸带地质环境与城市发展论文集 北京：中国大地出版社：支兵发 珠江三角洲经济区海岸变迁的生态地质环境效应资源环境与工程 （）：李学杰 应用遥感方法分析珠江口伶仃洋的海岸线变迁及其环境效应 地质通报 （）：于杰，杜飞雁，陈国宝，等 基于遥感技术的大亚湾海岸线的变迁研究 遥感技术与应用 （）：姚才华，吴自银 来伶仃洋海岸线变迁及海底冲淤变化 海洋学研究 （）：梁向阳，梁家海，萧金文 珠江三角洲海岸变迁及对城市可持续发展的影响 资源调查与环境 （）：黄镇国，张伟强 珠江三角洲河道近期冲淤特征初步分析 台湾海峡 （）：杨清书，罗宪林 珠江口伶仃洋海平面变化趋势研究 地理科学 （）：申家双，翟京生，郭海涛 海岸线提取技术研究 海洋测绘 （）：马小峰，赵冬至，邢小罡，等 海岸线卫星遥感提取方法研究 海洋环境科学 （）：张心凤，蒋星科 珠海港高栏港区航道回淤估算研究 广东水利水电（）：，刘伟东，张心凤，蒋星科 高栏港区泥沙回淤时空变化实测资料分析 人民珠江（）：刘伟东，张心凤，蒋星科 珠海港高栏港区疏浚对港区泥沙回淤的影响分析 人民珠江（）：，白鸿叶，王晓岚，邱维里，等 中国闽粤沿海现代海平面上升的海岸地 貌 响 应 北 京 师 范 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（）：第 卷第 期地下水 年 月