锚杆支护方式对边坡稳定性的影响研究

锚杆支护方式对边坡稳定性的影响研究

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摘要：基于极限平衡法验算锚固边坡的安全系数，考虑了锚杆锚固角、锚杆长度、锚固位置、锚杆布设形式这些影响因素，利用GEO-SLOPE商业软件计算了边坡的安全系数，并得到了一些规律：(1) 锚固边坡存在最优锚固角，不同长度锚杆的最优锚固角一致，大致在20°左右；(2)锚杆在坡面的位置对边坡安全系数也有很大影响，随着锚杆由坡顶向下移动过程中，安全系数呈现先增大后减小的趋势，在坡面中下部时的安全系数最大；(3)从锚杆的布设形式可以看出，中下部锚杆对边坡的安全系数影响最大。

关键词：锚杆支护；边坡稳定性分析；Morgenstern-Price法；锚固角；锚固方式 中图分类号：U416.1 文献标识码：A

0 引言

边坡破坏是岩土工程界的重大灾害之一，研究边坡稳定性与支护方式具有重要的现实意义。目前边坡稳定性的计算方法主要是极限平衡法和数值分析法；极限平衡法具有模型简单，计算简洁，能考虑各种加载形式和各种复杂剖面形状的优点。极限平衡法中较为完备的方法是Morgenstern-Price提出的方法以及陈祖煜在此基础上发展的通用条分法。邹广电论述了GLE法和Morgenstern-Price法的异同及GLE法难以得到普及和推广的原因。朱剑锋等[5]基于响应面重构法等，考虑土钉的加固作用，建立了适用于土钉墙边坡任意形状滑面安全系数计算的改进Morgenstern-Price法。陈乐求等[6]编制抗滑桩加固情况下的稳定性程序，得到了桩长、抗滑桩的布置位置等对边坡安全系数影响规律。林杭等[7]通过FALC3D建立数值计算模型，建立锚杆系统，并计算边坡安全系数及锚杆的力学响应，并得到了锚杆对边坡安全系数的影响规律。本文旨在建立锚固边坡的极限平衡方法研究锚杆支护方式对边坡稳定性的影响，并与其它结果进行对比，以验证极限平衡进行边坡稳定性分析的优劣性。

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1 锚固边坡的力学分析及模型

1.1 锚杆支护边坡的力学分析

Qi33XWiiEi24.3230Ei-1Xi-120?TiSmi?60Ni 图2 计算模型图

图1 锚固边坡土条受力分析图

锚杆对边坡的加固机理十分复杂，它不仅仅是对边坡提供一个拉力的作用，还有锚杆周围的岩土体性质有关。在以前的研究分析中，通常把锚固力看作是一个施加在条块底部中点的一个拉力，这种简化分析有一个缺点，当锚杆加固边坡时，一根锚杆穿过多个土条，会对穿过的每一个土条产生力的作用，如果在计算时没有考虑这个作用的影响，计算的结果与实际肯定有较大的差别。如果考虑这个因素的影响，锚杆沿长度方向各个位置的力的大小是怎样分布的，这是十分复杂的问题。本文假设锚杆上的作用力沿加筋体埋入滑移体部分均匀分布引入边坡体的条分法中计算。计算力学模型分析如图1所示： （1）土条重力Wi，垂直向下，并通过条块底面中点，作用点在土条重心； （2）Ei?1、Ei分别为土条条间水平作用力，条间竖向作用力分别为Xi?1和Xi； （3）滑动面上土条所受的法向力为Ni；

（4）Smi为滑动面上土条受到的抗滑力，其大小与滑动面上有法向力Ni有关，关系由摩尔库仑准则给定； （5）Ti是边坡支护锚杆时锚杆提供的锚固力；?是锚杆的锚固角，即锚杆与水平方向夹角； 在此工程实例中，不考虑作用在条块上的外荷载，也不考虑作用在土条上的孔隙水压力。 1.2 计算模型

建立如图2的边坡模型，算例边坡高10m，边坡开挖后坡角为75°。采用锚杆加固边坡，土层情况如表1所示，土体采用Mohr-Coulomb准则。在边坡施加锚杆过程中，不考虑施工工况对边坡安全系数的影响。锚杆的参数为：单位面积钉土阻力103KN/m2，锚固段直径0.015m。锚固角是锚杆与水平方向的夹角，在锚杆规范中，锚固角一般不大于45°。在如图2所示的斜坡面中，假设锚杆与坡面的五个相交位置从上到下分别为1~5，。现用极限平衡法计算锚杆长度、锚固角、锚固位置、锚杆支护形式对边坡安全系数的影响。

表1 土体的物理力学参数

土层 填土 可塑状土 硬塑状土 强风化岩

h/m 2 10 8 10

??kN*m-3?16 17 19 22

c/kPa 20 22 32 200

??????18 22 24 30

2 锚杆支护方式的影响分析

2.1锚杆长度、锚固角的影响

为了计算锚杆长度、锚固角对边坡安全系数的影响，在位置1、3、5上施加锚杆，计算了锚杆长度为4m、6m、8m，锚固角为0°到45°时的安全系数，得到了锚固角与安全系数的关系。如图3所示。从图中可以看出，对于三种不同长度的锚杆，边坡的安全系数随着锚固角的增大都呈现先增大后减小的规律。这说明对于锚杆加固过坡存在最优锚固角。以本例中4m、6m、8m锚杆为例，最优的锚固角都为20°。但对于4m的锚杆，达到最优锚固角之前，安全系数的增加很小，而6m、8m锚杆的安全系数增加较快。当锚固角超过最优锚固角后，安全系数随着锚固角的增大把而降低。锚杆长度对安全系数的影响很大，在同一锚固角下，安全系数随着锚杆长度的增加而增加，在锚固角的所有范围内都是如此，所以为了增大安全系数，一般可以采用增长锚杆的方法，但为了达到最大的经济效益，一方面要保证边坡的安全，同时也要节约锚杆的长度。

2.22.01.83028安全系数F1.61.41.2-50510152025?边坡高度/m4m6m8m262422203035404550 0 5 10 15 20 25 30 35 40锚固角/?? 182022242628303234363840图3 锚固角与安全系数的关系 边坡水平距离/m图4(a) 4m长锚杆滑动面随锚固角的变化 302826 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45202224262830323436302826 0 5 10 15 20 25 30 35 40 452025303540边坡高度/m38边坡高度/m242220181824222018164015边坡水平距离/m图4(b) 6m长锚杆滑动面随锚固角的变化 边坡水平距离/m图4(c) 6m长锚杆滑动面随锚固角的变化 为了考察滑动面的变化情况情形锚固角的关系，将同一锚杆长度下的滑动面随锚固角的变化列于图4。对于4m、6m长的锚杆，随着锚固角的增大，滑动面先是向边坡后沿移动，然后又朝着坡前移动，滑动面先变缓而后又变陡，这也验证了安全系数先增大后减小的趋势。而8m长的锚杆上述滑动面的移动规律没有那么明显，但滑动面积更大，滑动体包含了坡角部分。图中所示的较大锚固角对应的滑动面很密集，变化不大，说明锚杆长度增加引起的滑动面变化越小。 2.2 锚杆在坡面上的位置对稳定性的影响

为了得到锚杆在坡面上的位置对稳定性的影响，坡面施加一排锚杆，锚杆长分别取4m、6m、8m、10m，并从位置1变换到位置5，10m长的锚杆锚固角取25°，其它的取20°。图4得到了不同长度锚杆位置与安全系数关系图。从图中可以看出，从位置1到位置5也就是锚杆下移中，安全系数先增大后减小的趋势，锚杆布设在坡面中下部位置时安全系数最大，但不同的锚杆，最大安全系数对应的位置并不相同。8~10m的锚杆最大安全系数对应的位置在位置3处，而4~6m锚杆最大安全系数对应的位置却在位置4处，这与文献用有限差分法计算的结果有比较类似的结果。在位置5处，四根不同长度的锚杆对应的安全系数均为1.08，这是由于锚杆位于滑动面以下，没有提供锚固力，所以增加锚杆长并不能提高安全系数。

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图5 位置5处的滑动面图

301.6281.51.4安全系数边坡高度/m 4m 6m 8m 10m2624222018201.31.21.11.0位置1位置2位置3位置4位置51234525303540锚杆与坡面相交的位置图6 锚杆位置与安全系数的关系 边坡 …… 此处隐藏：3147字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……