预应力锚索框架梁加固边坡的稳定性数值分析

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摘要：采用考虑了结构物与岩土体间粘着效应的莫尔-库伦粘着摩擦模型来反映灌浆体与滑坡岩土体间的真实受力状态。利用著名非线性有限元分析软件ABAQUS，建立了预应力锚索框架梁加固边坡的真三维有限元模型，并以坡脚处水平位移和折减系数关系曲线的特征拐点（曲率最大点）和贯通区来获取安全系数，真实的揭示了预应力锚索框架梁加固滑坡体的加固机理。

关键词：边坡加固，预应力锚索框架梁，三维非线性有限元法，稳定性分析，粘着摩擦

Abstract: considering the content and structure of the rock mass adhesion effect between the Moore-the coulomb's sticky friction model to reflect the grouting body and landslide rock mass of the real between stress state. Using the nonlinear finite element analysis of the famous ABAQUS software, establish prestress anchored frame beams of the slope reinforcement true 3 d finite element model, and use in slope toe horizontal displacement and reduction coefficient curve characteristics inflection point (curvature Max point) and breakthrough area to obtain safety factor, true reveals the framework of prestressed anchor beam strengthening the landslide reinforcement mechanism.

Keywords: slope reinforcement, prestressed anchor cable frame beams, the three dimensions nonlinear finite element method, the stability analysis, the sticky friction

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1引言

福建省是我国东南沿海一个多山省份，雨量充沛，随着大规模工程建设向西北和西南山区发展，深填高挖等土石方工程日益增多，严重地改造了当地的地质条件，破坏了原始坡体的地质平衡条件，在地震及降雨条件下，极易产生滑坡。

目前，在滑坡加固处理中常用的方式主要有两种类型：一种是在边坡上方减重、下方加重并在边坡后部和坡面做排水工程及增加防水护面；第二种则主要采用重力式挡墙、抗滑桩等以荷载--结构模式为基本特征的被动加固措施[1-3]。预应力锚索框架梁加固滑坡是随着预应力锚索[4]在工程中的大量应用而发展起来的一种新型边坡支挡加固结构，该种加固模式充分调动了滑坡岩土体的自稳能力，是一种主动加固方式。许多学者通过不同的研究方式如理论研究、试验研究和数值模拟对预应力锚索框架梁加固滑坡的内力分布进行了有益的探讨，而对加固前后滑坡的稳定性分析则相对笼统或仅作简要阐述。然而，我们知道滑坡稳定性分析是滑坡加固治理的关键，通过分析可获得滑坡体中最危险滑裂面的位置、形状以及对应的稳定安全系数。然后根据稳定性计算结果，对边坡的稳定状态进行评估，确定边坡的支护方案，指导具体的支护结构设计。所以说，边坡工程设计及加固处理的第一步即是边坡稳定分析。目前边坡（文中所指常包括滑坡）稳定性分析方法众多，各有其适用范围和特点，总体上包括极限平衡法、极限分析法、滑移线法和有限元分析法。与传统滑坡稳定分析方法相比，有限单元法引入能反映应力-应变之间关系的非线性弹塑性本构关系，可以真实地描述坡体内受力状态，并且满足变形协调关系和静力平衡，在边坡稳定分析中是一种更加严密的理论体系[5-6]。另外，有限元法不受边坡模型形状限制，可模拟不同工况和施工顺序对边坡稳定性的影响，可考虑突降暴雨，地震等自然灾害，并可建立土体与支挡结构物的接触关系来模拟两者间的共同作用效应。目前，在预应力锚索框架梁加固滑坡的数值模拟中，对滑坡稳定性主要采用二位平面模型，很少利用三维有限元模型模拟，一些文献中有采用三维模型模拟预应力锚索框架梁加固滑坡时，均对整体受力条件作了部分简化[9-10]，没有充分考虑框架梁，锚索，灌浆体和坡体间的相互接触关系，研究对象主要集中在锚固体的剪应力或是框架梁下的岩土体附加应力，对预应力锚索框架梁加固滑坡的稳定性分析和加固机理研究较少。下文主要通过基于强度折减理论的有限元法分析法，充分考虑框架梁，锚索，灌浆体和岩土体间的摩擦接触，建立预应力锚索框架梁加固边坡的真三维有限元模型，模拟了预应力锚索框架梁加固边坡前后的稳定性及其加固机理，探讨了框架梁的内力变化特性。预应力锚索框架梁是边坡加固及其病害防治的有效措施之一，其中，预应力锚索、框架梁、边坡岩土体的变形部分作为主体结构承担了边坡变形所产生的外力，并通过灌浆体将锚索预张力分散到稳定土层中，充分发掘和调动了边坡岩体自稳能力；有效的改善了边坡岩土体的受力状态。

2工程实例概况

研究区选择在福建省漳(州)龙(岩)高速公路和溪段K64+690～790边坡上。地貌上属于低山-丘陵区，原始地形坡面起伏较大，陡缓相间。边坡两侧凸出，两边凹进，中部有沼泽化现象。路堑边坡开挖后，高差最大达到100 m，坡度20°～40°，平均坡度35°。主要岩性有第四系全新统坡积层、残积层，下伏白垩系花岗闪长岩以及坡脚及路面分布的边坡开挖堆积土等，为花岗岩风化壳类土质边坡。在边坡放坡开挖过程中发现坡体存在明显的摩擦痕迹，可确定该边坡属古滑坡。设计采用预应力锚索框架梁进行护坡，边坡分三级，第一级坡率1:0.75，坡高5m；第二级坡率1:1.2，坡高8m；第三级坡度25°，坡高8.75m。为能提供足够的锚固力，锚索采用Ø15.24低松弛预应力高强度钢绞线，孔径150，每孔7根锚索，锚索全长20m，锚固段劈裂灌浆10m。

3边坡放坡开挖下的稳定分析

首先采用二维平面应变有限元强度折减法对放坡开挖下该边坡的稳定性进行分析，如图1所示。计算模型前缘以公路中心线为界，后缘以公路中心线向后延伸60 m，沿坡面方向上取21.75 m，底面以路面以下12m为界。岩土体按莫尔-库仑理想弹塑性材料模拟，根据工程勘察报告，边坡各土层参数见表1。

图1边坡放坡开挖平面应变模型

表1 锚索框架梁结构物材料参数

图2即为采用二维有限元强度折减法计算所得边坡坡脚处水平位移与折减系数的关系曲线。从图中可以看出，当折减系数为1.094时，边坡已经开始出现位移急剧增长趋势，此时边坡土体内塑性带刚好贯通，塑性应变见图3，据此可确定按此方案进行放坡开挖时该边坡的安全系数Fs =1.094。