差異化GFRP錨桿布設(shè)方案錨固效果研究

朱 俊， 張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

1 GFRP錨桿

錨桿深入邊坡滑動面直至到達(dá)穩(wěn)定的基巖處，以錨桿錨固段提供主要抗滑力來抵抗邊坡失穩(wěn)。GFRP(玻璃纖維增強聚合物)錨桿相較于普通錨桿，在巖土工程中具有更優(yōu)越的性能，在近幾年被廣泛應(yīng)用于邊坡工程中。錨桿加固是保證邊坡穩(wěn)定的重要手段，因此研究錨桿的布設(shè)方案對邊坡錨固效果的影響是必要的[1-3]。

針對錨桿的設(shè)計，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。王俊石[4]結(jié)合工程實踐分析了錨索作用機理，建立了最優(yōu)錨固角計算公式。封金財[5]通過理論推導(dǎo)了錨桿傾角取何值能提供最大抗力。熊文林等[6]考慮到坡面和滑面不平行的情況，提出了結(jié)合坡面和滑面傾角計算預(yù)應(yīng)力錨桿方向角的方法。吳禮舟等[7]建立了膨脹土邊坡加固模型，研究了錨桿布設(shè)角度和間距對邊坡變形的影響。曹平等[8]通過有限元計算，研究了邊坡穩(wěn)定性隨錨桿長度變化的規(guī)律。林杭等[9]剪力邊坡模型，研究了錨桿長度和坡率和最優(yōu)錨固角的關(guān)系。Hrycjw等[10]研究了錨桿不同布置組合對邊坡穩(wěn)定性的影響。shiuYK[11]等認(rèn)為影響土釘邊坡的主要因素有邊坡高度、角度和錨桿的布設(shè)形式3點。

現(xiàn)有的大多數(shù)邊坡加固工程中，對錨桿布設(shè)方案的來源和具體工作沒有詳細(xì)描述。且針對提及的加強邊坡中下部支護(hù)以保證邊坡穩(wěn)定性的建議沒有體現(xiàn)。GFRP錨桿由玻璃纖維、樹脂合成加工制得，具有經(jīng)濟(jì)、性能優(yōu)越的優(yōu)點，應(yīng)用于邊坡工程的案例不多。針對以上問題，本文通過數(shù)值模擬，分析GFRP錨桿差異化布設(shè)方案對邊坡穩(wěn)定性的影響，對比獲得最優(yōu)錨固效果，為后續(xù)GFRP錨桿加固邊坡工程提供依據(jù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

本次計算的公路邊坡位于大理至麗江高速公路，根據(jù)現(xiàn)場量測后，簡化邊坡建立三維有限元數(shù)值計算模型，模型計算范圍長為90 m，厚度為25 m，最高處至邊坡底部取為50 m，如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算三維模型

模型共計四級邊坡，從下至上依次為1級、2級、3級、4級邊坡，在其1、2級邊坡采用GFRP錨桿支護(hù)，每級邊坡及支護(hù)具體幾何參數(shù)見表1。

表1 各級邊坡及支護(hù)幾何參數(shù)

采取不同錨桿間距和錨固角度組合布置形式共計10組工況來研究GFRP錨桿錨固角、錨桿間距對邊坡加固效果的影響，具體工況信息見表2。

表2 各級邊坡及支護(hù)幾何參數(shù)

GFRP錨桿與邊坡的空間關(guān)系見圖2。

圖2 GFRP錨桿與邊坡的空間關(guān)系

2.2 材料參數(shù)

結(jié)合地勘資料確定土層的物理力學(xué)參數(shù)，將巖土分為基巖和風(fēng)化松動層，其相應(yīng)參數(shù)見表3，GFRP的材料組成為77.5%玻璃纖維、22.5%樹脂，密度2.2 g/cm3，結(jié)合室內(nèi)拉拔試驗結(jié)果及GB1499.2-2007《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》確定錨桿參數(shù)見表4。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

表4 GFRP錨桿物理力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值模擬為與實際工程更加接近，土層采用DP屈服準(zhǔn)則，錨桿采用雙線性隨動強化BKIN模型。

3 結(jié)果分析

計算10組工況在自重條件下邊坡的水平、豎直位移和剪應(yīng)變，分析結(jié)果云圖，對比錨桿發(fā)揮的錨固效果，尋找最優(yōu)錨固角和錨桿間距。

3.1 水平位移變化分析

如圖3所示的水平位移變化，采用錨桿加固邊坡后，發(fā)生水平位移區(qū)域從風(fēng)化層向內(nèi)部移動。錨固角在12°、15°、20°一定情況下，水平位移隨錨桿數(shù)量(錨桿間距與錨桿數(shù)量有直接關(guān)系)的增大而減小；錨桿間距一定情況下，水平位移隨錨固角的增大而減小。

圖3 自重條件下水平位移變化

3.2 豎直位移變化分析

如圖4所示的豎直位移變化，采用錨桿加固邊坡后，豎直位移分布規(guī)律無明顯變化。錨固角在12°、15°、20°一定情況下，豎直位移隨錨桿數(shù)量的增大而減?。诲^桿間距一定情況下，豎直位移隨錨固角的增大而減小。

圖4 自重條件下豎直位移變化

3.3 剪應(yīng)變變化分析

如圖5所示的剪應(yīng)變變化，采用錨桿加固邊坡后，剪應(yīng)變分布區(qū)域減小。錨固角在12°、15°、20°一定情況下，剪應(yīng)變隨錨桿數(shù)量的增大而減??；錨桿間距一定情況下，剪應(yīng)變隨錨固角的增大而減小。

圖5 自重條件下剪應(yīng)變變化

4 結(jié)論

采用差異化GFRP錨桿布設(shè)方案加固邊坡，對比邊坡位移和應(yīng)變可以得到結(jié)論，為類似工程提供參考：

(1)錨固角相同，邊坡水平位移、豎直位移和剪應(yīng)變與錨桿間距成正比，即隨著錨桿間距的減小而減小。

(2)錨桿數(shù)量相同，間距一定，邊坡水平位移、豎直位移和剪應(yīng)變與錨固角成反比，即隨著錨固角增大而減小。

(3)針對本次四級邊坡工程，當(dāng)采用錨固角為20°，錨桿數(shù)量為每排8根，間距3.1 m×3.1 m時，位移和應(yīng)變最小，可以認(rèn)為這種工況下邊坡最穩(wěn)定，GFRP錨桿效果最優(yōu)。