高速公路边坡锚杆加固设计与加固效果的数值模拟

岩质边坡锚杆加固的数值模拟及参数影响摘要：以重庆某顺层岩质边坡为研究对象，通过有限元软件对该边坡两次开挖进行分析，在天然状态下，该边坡系数为1.12，当开挖第一次时，边坡安全系数下降为1.062，当开挖第二次时，该模型不收敛，可认为此时边坡处于及其不稳定状态，需要进行加固，采用锚杆结构进行加固，其开挖两次后，安全系数达到1.68，此时边坡及其稳定。

本文通过锚杆加固，研究了两次开挖卸载后，锚杆轴力的变化、锚杆长度对加固效果的影响。

关键字：边坡开挖；安全系数；锚杆加固中图分类号：TU411 文献标志码：0 引言随着人类工程建设活动的日益增加，顺层岩质边坡治理问题已成为边坡工程中常见的工程地质问题[1]。

边坡加固的方式有很多，锚杆因其施工方便、节约成本、加固效果明显，被广泛运用到各类工程中[3]。

张朔[4]等对让压型锚杆开展了研究，并介绍了其工作性能，黄代茂、孔维风[6-7]等人研究了锚杆的加固方式对边坡工程的影响。

1 边坡模型建立某顺层边坡坡高40m，坡脚39°，坡脚至左端边界20.15m，坡底左端边界至右端边界为72m，软弱夹层厚度约为0.8m，坡脚至右端边界为30m,边坡在坡脚处分为两次开挖，第一次开挖为1.24m,第二次开挖为1.26m，岩层倾角为49°，如图1所示。

图1 边坡计算模型2 数值模拟计算分析2.1 初始边坡稳定性分析该顺层边坡分为两级开挖，在初始应力下，该边坡的沉降位移大约为0.39m,其中x方向位移为0.385m,竖向沉降约为0.126m,且最大沉降值在坡脚处，在天然应力下，该边坡的完全稳定性系数约为1.12，该边坡塑性区在软弱夹层处，从坡脚贯与坡顶处贯穿，呈圆弧型。

3 锚固边坡稳定性分析3.1 锚杆轴力分析图3 第一次开挖锚杆轴力图对于锚杆的轴力来说，锚杆轴力呈现中间大两端小的趋势，且最大值在滑移面与软弱夹层面相接触的层面上，此时锚杆所受的轴力最大，通常这个点也被称之为锚杆中性点，如上图所示，轴力最大值在最下方的那根锚杆，最大值约为52.5KN，通常情况下，边坡滑移时，最下方的锚杆承载力要最大，故锚杆轴力也是最大。

1绪论边坡稳定性分析的评价对预防边坡滑坡、崩塌等灾害一直是永恒的话题，受到国内外各工程专家和业界学士的关注。

边坡稳定性的影响因素包括内部因素和外部因素，比如边坡的坡度值、坡体的物理参数值、地震以及人类活动等。

由此边坡稳定性的因素复杂，在分析时可以考虑。

锚杆技术作为一种加固技术，在边坡工程中得到了广泛的应用，是一种常用的加固支护结构，通过利用锚杆自身和岩土体的摩阻来增强被加固体，确保工程安全，而且取得了较好的加固效果[1-2]。

文献[3]以多级岩质边坡为例，运用Midas GTS/NX有限元计算软件，采用强度折减法，分别计算边坡在自重、地震、边坡防护加固条件下边坡稳定的安全系数，进而分析其潜在滑动面，为类似岩质边坡稳定性分析提供一定借鉴。

文献[4]采用Midas-GTS有限元软件进行了数值模拟分析，天然状态下高边坡的稳定安全系数是0.9275，处于不稳定状态；通过采用抗滑桩联合格构式锚杆挡墙支护措施后，高边坡的稳定安全系数是1.75，满足了边坡稳定性的要求，加固效果显著。

文献[5]采用Midas-GTS/NX，根据实际的滑坡坡面形态、岩层结构及物理力学特性，选择最危险滑动剖面作为研究对象，结果表明暴雨、地震工况下边坡处于不稳定状态。

对采取预应力锚索加固后的边坡稳定性进行了数值模拟分析，结果证明预应力锚索自身的变形能力能很好地适应边坡内部力学环境，不会因应力集中或改变而发生脆断，分析成果可用于指导崖墓边坡的加固及防护。

文献[6]以广州大夫山滑坡为案例,阐明了强度折减法应用机理。

2模型建立2.1Midas GTS/NX简介Midas GTS/NX是由迈达斯公司推出的一款计算结构模型的有限元分析模拟工具，该软件提供了三维动态模拟功能，迅速完成对岩土边坡及隧道结构的分析和设计。

不仅拥有几何建模、网格划分、图形处理等功能，还有建模小助手等便捷小工具，而且增加了支持对静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合等各种工况的分析等等。

- 84 -工 程 技 术0 引言边坡稳定性是公路工程的重要研究内容。

边坡加固通常采用抗滑桩、锚杆及格构等方式。

其中，由于锚杆加固具有施工简单、造价低等特点，其被广泛应用于公路边坡工程。

杨逸飞等[1]基于强度折减法系统地研究了锚杆加固顺层岩质边坡稳定性。

周粲铭等[2]基于数值有限元研究了降雨入渗对锚杆加固多级边坡稳定性影响。

李忠等[3]基于可靠度理论系统地研究了土体参数变异性对框架锚杆加固黄土边坡稳定性的影响。

李帅和林旺照[4]采用极限平衡理论系统地研究了降雨对系统锚杆加固边坡稳定性的影响。

结果表明，采用系统锚杆对边坡的加固能力随降雨强度增大而减弱。

封永梅和张楠[5]采用理论推导方法研究了高陡边坡锚杆加固的稳定性计算方法。

结果表明，边坡的稳定性随锚杆应力增大而增大。

加固初始位置越靠近倾覆区，边坡的抗倾覆能力越弱。

曹利宏、蒋明镜和周伟等[6-8]基于室内模型试验系统地研究了锚杆加固散粒体边坡的加固机理。

结果表明，缩小锚杆直径和增大散粒体直径都可以在一定程度上提升结构强度。

该文基于ABAQUS 数值模拟，系统地研究了锚杆加固边坡效果，研究可为类似工程提供参考。

1 工程概况某公路博沂线淄博境段长103.924km ，起点位于博山区白塔镇，终点位于沂源县与沂水县交界。

这次维修段落为沂源鱼台至沂源沂水界段，路线长43.777km ，二级公路，路基宽度有16m 、15m 、13m 三种，相应路面宽度为15m 、14m 、12m 。

该路段按建设年限分为三段，鱼台至南石臼段（长8.656km ）于2004年建成，设计车速60km/h ，2011年对行车道按8m 宽范围实施中修罩面，罩面厚度3cm ，两侧硬路肩设1m 宽渐变段；南石臼至石桥段（长13.658km ）于2007年大修，设计车速60km/h ；石桥至沂水界段（长21.459km ）于2002年改建，设计车速40km/h ，2010年实施全幅中修罩面，罩面厚度3cm 。

高速公路边坡锚杆加固设计与加固效果的数值模拟作者：刘政军来源：《城市建设理论研究》2013年第17期摘要：依托工程实例，在高速公路边坡加固方案分析的基础上，对边坡预应力锚杆加固方案进行分析与设计，并通过数值分析软件对加固效果进行数值模拟，结果表明：锚杆设计对边坡加固起到了很大的作用，边坡稳定安全系数达到了工程中所规定的界限值。

关键词：高速公路边坡加固；数值分析；锚杆设计中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：边坡失稳前一刻，边坡是处于临界或接近临界极限平衡状态的，边坡自身抗滑力接近下滑力，因此，在边坡失稳之前只需要提供小部分抗滑力，边坡就能保持稳定。

但是边坡一旦失稳，边坡的巨大塌方量会导致灾难性后果的产生，而且由于抗滑力的显著降低甚至消失，此时再加固，治理费用也是巨大的。

如果我们在边坡失稳前根据边坡工程地质情况，提前对边坡进行稳定性分析，结合失稳前边坡本身抗滑力情况，主动提出加固治理方案，将大大减少不必要的经济损失。

1工程概况X高速全长104.836公里，全程设计特大桥3座3090米，大桥76座23556米，长隧道 6座8519米，中短隧道10座6553米。

以X高速公路 K91+200-K91+350 路堑边坡为例，坡高20m，据边坡设计上部 10 m 高，坡比为 1∶1.25，下部 10 m，坡比为 1∶1，两级边坡中间有一宽2m 平台。

该路堑边坡为强风化泥质粉砂岩，具有强度低、软化系数小、干湿循环后易崩解等特点；同时，该红砂岩边坡的岩体节理裂隙较为发育。

2边坡加固方案路堑边坡上部截水沟依滑坡顶部走势布置，内截面尺寸为 600mm400mm；坡体上排水沟布置在中间平台上，内截面 500mm500mm；排水沟的纵向坡率取0.5%，中间高，两侧低。

坡体水流向两侧分流，材料采用浆砌片石，砂浆等级M10。

地表及地下水丰富，在加固工程施工时应参考《土木工程施工》采取必要的降水措施，排出边坡水。

框架锚杆联合土钉加固多级黄土边坡数值分析摘要：采用FLAC-3D有限差分软件对框架锚杆和土钉联合加固陇南某多级边坡进行数值计算，对比分析了未加固和不同加固阶段的边坡安全系数、位移和剪切应变增量及土钉和锚杆轴力的变化规律，通过理正岩土计算的安全系数对比验证了三维数值模型的正确性。

结果表明：分级联合加固后边坡稳定性明显提高，整体位移减小，剪应变增量集中带向坡体内部发展，受力最大的土钉和锚杆分别出现在一级边坡中下部和二级边坡上部，可为类似工程设计提供参考。

关键词：多级黄土边坡；土钉；框架锚杆；数值计算Numerical analysis of Multistage loess slope strengthened with frame anchor and soil nailingGUANGKE HE（China Railway 21 Bureau Group Fifth Engineering Co.，Ltd..，Lanzhou 730050）Abstract：The FLAC-3D finite difference software is applied to calculate a soil nailing and anchor supporting multistage slope in Longnan. The safety coefficient，displacement，shear strain increment and the axial force distribution of soil nailing and the bolt are analyzed in different stages. The three-dimensional numerical model is verified by comparing the safety coefficient with rock and soil software. The results show that the stability is obviously improved，displacement is reduced，shear strain increment concentrating zone is developed into body. The greatest force of soil nailing and anchor appear in lower of first and the upper of second grade slope respectively，which provide valuable reference for similar project design.Key words：Multistage loess slope；Soil nailing；Frame anchor；Numerical analysis 1 引言滑坡灾害在我国普遍发生，每年因滑坡灾害造成了巨大损失，因此滑坡灾害治理和稳定性分析都是岩土工程界的热点问题。