壓力型錨桿應力松弛后再加固的邊坡特性研究

摘要：文章采用FLAC 3D軟件模擬壓力型錨桿支護邊坡的模型，分析了壓力型錨桿應力松弛后再加固的邊坡土體應力及位移特性，結果表明：邊坡土體應力、位移變形均隨著錨固力的增大而減??；邊坡土體變形為彈塑性變形，但仍可以通過多次施加預應力維持邊坡穩(wěn)定。

關鍵詞：滑坡；壓力型錨桿；應力松弛再加固；應力；位移

中圖分類號：U416.1+4

0 引言

邊坡滑坡是一種常見的地質災害，具有極大的危害性，治理措施除卸荷外，通常采用支擋方式。學者們對邊坡的支擋結構進行了大量研究［1-2］。但研究對象多以拉力型錨桿為主，而針對壓力型錨桿的研究較少，且針對錨桿應力松弛后再加固的研究更少［3-4］。本文采用FLAC 3D軟件模擬壓力型錨桿應力松弛后再加固的邊坡應力、位移響應特性，旨在為邊坡錨固防護進行多次張拉、維持邊坡穩(wěn)定性相關工程提供設計依據(jù)。

1 滑坡概況及治理措施

某公路的K58+825～K59+000段邊坡所在路段屬于典型的剝蝕丘陵地貌，地面標高133.0～196.0 m。路線以120°方向切割山體下部，邊坡下方還分布有民房。原設計邊坡共3級，開挖至二級邊坡進行了掛網(wǎng)噴混凝土后，后緣出現(xiàn)裂縫，伴有錯臺情況，裂縫最深為2 m，寬度約為20 cm，并從后緣至現(xiàn)施工平臺出現(xiàn)貫穿式裂縫。主滑方向為26°，滑面深度為8～10 m，滑體方量約為10×104 m3，主要成分為破碎的強風化板巖。

結合場地工程地質條件，經(jīng)分析、討論，認為K58+825～K59+000段右側深挖路塹邊坡滑坡失穩(wěn)原因主要有：

（1）高邊坡位于斷層附近，山坡較陡，巖體破碎，易形成滲水通道，且自然邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，擾動后易失穩(wěn)。

（2）基巖產(chǎn)狀S0：330°∠18°，屬斜交順層坡。地層巖性為上覆6～8 m厚殘坡積含礫粉質黏土，下伏強-中風化板巖、變質泥質砂巖。地下水匯集于強風化地層內，致使強風化巖體長期浸水，巖體發(fā)生軟化，工程地質特性變化，導致邊坡失穩(wěn)。

（3）邊坡開挖后形成20 m的臨空面，且設計邊坡較陡，導致上部巖土體失去支撐，施工開挖后坡面支護不及時導致邊坡失穩(wěn)。

結合地形、地質、護坡特征及現(xiàn)場測量結果確定采用“削坡減載+坡體錨固”方案。原來的三級邊坡變更為五級，在第二、四級邊坡施作錨桿間距3 m×3 m的壓力型錨桿（單根錨固力360 kN）錨固防護。

采用GEO-5軟件分析二維情況下清除部分滑體后的五級邊坡穩(wěn)定性，考慮主滑方向為邊坡臨空面與巖層層面的組合，結果表明：邊坡進行錨固后正常工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.23，gt;1.20，暴雨或持續(xù)降雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)為1.14，gt;1.10，滿足規(guī)范要求。如果錨固力下降至280 kN，則正常工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.21，暴雨或持續(xù)降雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.11。

由于錨桿的錨固段處于富水的強風化板巖、變質泥質砂巖層內，容易出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象，應力下降到一定程度后，支護體系或不能滿足規(guī)范要求，因此設計了可重復張拉的預應力壓力型錨桿。本文通過建立FLAC 3D模型，分析支護結構從單根錨桿預應力360 kN下降至280 kN后再張拉至360 kN后，邊坡應力與應變的變化特征。

2 預應力壓力型錨桿應力松弛后再加固的機理特性

預應力壓力型錨桿的桿體采用高強度螺紋鋼，通過擰緊錨墊板外的高強度螺母施加預應力。如圖1所示，荷載由桿體直接傳遞給錨底結構物（囊袋），由錨底結構物將荷載擠壓至深層巖土體并產(chǎn)生錨桿錨固力。桿體的受力變形主要呈點到點的位移特征（錨頭到錨底結構物），主要由桿體的受力變形產(chǎn)生，因此可以比較準確地控制錨桿位移。也可以多次通過擰緊高強度螺母施加預應力并張拉錨桿，使錨桿的頂部荷載再次增大，達到錨桿在應力松弛后再加固的目的。

3 邊坡錨固數(shù)值模型的建立

3.1 計算參數(shù)

根據(jù)K58+940段邊坡的典型橫斷面建立FLAC 3D模型，共剖分609 604個節(jié)點、587 500個單元。模型材料物理力學參數(shù)見表1，數(shù)值計算時土體屈服準則采用Mohr-Coulomb（M-C）準則，壓力型錨桿視為彈性材料，計算模型尺寸如圖2所示，邊坡坡率為1∶1，坡高10 m。本次計算模型為邊坡地形，模型整體位移和應力不對稱，采取只切割邊坡所在地形圖建模，邊界條件采用位移邊界條件來控制。

3.2 邊坡應力及位移特性分析

3.2.1 邊坡的應力特性分析

圖3所示分別為邊坡卸載后的初始應力狀態(tài)、錨桿錨固力為360 kN、錨桿錨固力松弛到280 kN、錨桿再次張拉至360 kN后的邊坡X方向的應力云圖。如圖3（a）所示，邊坡初始最小應力為1.032 3×104 Pa，隨著錨桿的施加逐漸減小為7.682 2×103 Pa。錨桿應力松弛后，邊坡土體應力增大；隨后錨桿重新張拉，預應力重新恢復，邊坡土體應力又逐漸降低，但未能降低到原錨固力為360 kN時的應力狀態(tài)。邊坡土體在施加錨桿之前，土體自重應力分力大于顆粒之間的摩擦力，土體下滑力較大，邊坡土體產(chǎn)生的整個初始應力較大。施加錨桿后，增加了土體顆粒之間的摩擦力，下滑力減小，應力降低。

3.2.2 邊坡的位移特性分析

如圖4所示分別為邊坡卸載后的初始變形狀態(tài)、錨桿錨固力為360 kN、錨桿錨固力松弛到280 kN、錨桿再次張拉至360 kN后的方向位移云圖。分析結果表現(xiàn)出與應力變化相同的發(fā)展規(guī)律，即隨著錨固力的增加，邊坡安全系數(shù)增加，塑性變形區(qū)域明顯減??；錨桿應力松弛后，塑性變形增大，邊坡安全系數(shù)降低。錨桿再張拉后，土體變形未能恢復原有狀態(tài)，連續(xù)均勻的土體介質發(fā)生彈塑性變形。在彈性變形階段，內力與變形存在著完全對應的關系，外力消除后變形就完全恢復。而塑性變形階段的應力應變關系受到加載狀態(tài)、應力水平、應力歷史與應力路徑的影響。塑性變形是不可逆的，可以預見的是錨桿經(jīng)過多次重復張拉，降低邊坡應力、減小坡體變形，提高邊坡安全系數(shù)的能力將逐漸降低，但在一定使用安全期限內，仍可以起到維持邊坡穩(wěn)定的效果。

3.2.3 邊坡的穩(wěn)定性分析

當邊坡進行錨固后正常工況下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.23，gt;1.20，暴雨或持續(xù)降雨工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.14，gt;1.10，滿足規(guī)范要求，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。而錨桿錨固力降低至280 kN時，正常工況下、暴雨工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)分別降至1.21、1.11；錨固力增長至360 kN時，穩(wěn)定安全系數(shù)又恢復至1.23。這表明，常規(guī)邊坡穩(wěn)定性分析軟件計算時認為土體為純彈性介質，并未考慮塑性變形。而實際上，土體屬于彈塑性體，在塑性變形階段，邊坡的變形是不能完全恢復的。

4 結語

本文采用FLAC 3D軟件分析了壓力型錨桿在應力松弛再張拉后的邊坡應力、位移特性，并采用GEO-5軟件分析了邊坡的穩(wěn)定性。得出以下結論：

（1）[JP4]邊坡的應力及位移均隨著錨桿錨固力增加而減小，錨固力越大，邊坡土體應力越小，土體變形位移也越小。

（2）常規(guī)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件忽略了錨桿的應力松弛，在運營管理過程中，錨桿防護的邊坡也容易失穩(wěn)。同時，常規(guī)邊坡穩(wěn)定性分析軟件未考慮土體的塑性變形。

（3）在一定使用安全期限內可以通過多次施加預應力張拉壓力型錨桿，防止預應力一次性失效，以維持邊坡穩(wěn)定性。

參考文獻

［1］葉海林，鄭穎人，陸 新，等.邊坡錨桿地震動特性的振動臺試驗研究［J］.土木工程學報，2011，44（S1）：152-157，176.

［2］葉海林，鄭穎人，黃潤秋，等.錨桿支護巖質邊坡地震動力響應分析［J］.后勤工程學院學報，2010，26（4）：1-7.

［3］龐友師，劉漢龍，龔醫(yī)軍，等.可回收式錨桿抗拔試驗研究［J］.巖土力學，2010，31（6）：1 813-1 816，1 821.

［4］朱 振.基于FLAC某邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬分析［J］.陜西水利，2023，2（2）：21-22，27.

收稿日期：2024-03-24

作者簡介：陳 攀（1994—），碩士，工程師，主要從事邊坡穩(wěn)定性研究工作。