锚杆支护参数对强风化砂岩边坡群锚效应的影响

喻 进 辉

(1.湖南省建筑科学研究院，湖南长沙 410001;2.湖南省建设工程质量检测中心，湖南长沙 410001)

0 引言

土木工程类有关学者认为，群锚效应是由于群锚中锚杆间距较小，单个锚杆的承载力会受到影响的一种效应［1］。群锚中的锚杆的工作状态不同于单根孤立的锚杆，群锚效应是因为群锚传递的锚杆拉力在土层中会产生叠加，互相干涉，从而降低了孔壁对锚杆的侧阻力，降低锚杆的承载力［2，3］。

边坡采用锚杆加固和锚索的作用机理类似，所以锚杆也存在群锚效应［4］。边坡的安全系数与锚杆的锚固力存在一定的关系，所以本文将对锚杆抗拔力和边坡安全系数进行讨论，分析锚杆的长度、间距、数目对群锚效应的影响规律，在此基础上对边坡进行支护参数优化设计，为工程实践提供参考。

1 计算模型及计算参数

某高速公路路堑边坡地层岩性主要为强风化砂岩。边坡岩体物理学性质如表1所示，利用FLAC3D软件建立该边坡中的一个坡面的计算模型［10］，计算模型中，边坡高度 20 m，坡角 60°，L=30 m，R=50 m，B=20 m，其中，L为坡脚到左端边界的距离;R为坡顶到右端边界的距离;B为坡底到底端边界的距离，模型尺寸比例如图1所示。该模型总共有1 430个节点，750个单元，模型下边界固定，侧向约束水平位移，上部为自由边界。采用Mohr-Coulomb准则描述土体的应力应变关系，以自重应力场作为初始应力场。边坡岩体物理力学参数如表1所示。选用锚杆的计算力学参数如表2所示。

图1 边坡计算模型

表1 边坡岩体物理力学参数

表2 锚杆计算力学参数

2 计算结果分析

2.1 单根锚杆在不同位置受力情况

将单根锚杆依次布设在边坡的坡面上，利用软件计算锚杆在不同位置下锚杆的抗拔力，将锚杆长度分别设置为6 m，9 m，12 m，15 m，锚杆的倾角为15°，各个长度的锚杆在边坡的不同位置下抗拔力的变化如图2所示。

图2 不同长度锚杆在不同位置下锚杆抗拔力

图2显示，随着锚杆长度适度的增长，锚杆的抗拔力也随之增大，但是锚杆长度过长时锚杆的抗拔拉力增加的缓慢。此外，锚杆的单根锚杆作用于边坡上，同一长度锚杆在边坡的不同的高度时，锚杆的抗拔力的变化范围较小。

2.2 锚杆长度对群锚效应的影响

根据单根锚杆单独作用于边坡上时的抗拔拉力的变化图，去锚杆抗拔拉力变化不大的区域，即锚杆布设高度在边坡高度中点(10 m)附近，进行锚杆长度对群锚效应影响的分析。

取5根长度为12 m的锚杆布设在边坡坡面上，其中一根锚杆布设在图1的a点，其余四根布设在a点的两侧(即b，c，d，e点)，其锚杆垂直间距为2 m，利用软件计算锚杆的抗拔力。将a点处的锚杆与同一位置的单根锚杆作用时的锚杆抗拔拉力进行对比分析。

再取长度为6 m，9 m，15 m数量都是5根的锚杆按照上述步骤分别计算锚杆的抗拔力，再与同一位置同一长度的单根锚杆作用于边坡时的抗拔拉力进行对比，其结果如图3所示。

图3 不同长度锚杆在2 m间距下锚杆抗拔力

从图3可知，单根锚杆作用于边坡时，锚杆的抗拔力变化速率随着锚杆长度增大呈先快后慢，当锚杆长度大于12 m时，锚杆长度变大时锚杆的抗拔力趋于平稳，多根锚杆作用于边坡上时，锚杆长度越长，a点处的锚杆的抗拔力比同一位置单根锚杆的抗拔力相差越大。所以锚杆长度对锚杆的群锚效应会产生影响。

2.3 锚杆间距对群锚效应的影响

取5根长度为12 m的锚杆布设在边坡坡面上，其中一根锚杆布设在图1的a点，其余四根布设在a点的两侧，其锚杆垂直间距为2 m，计算锚杆的抗拔力。将a点处的锚杆与同一位置的单根锚杆作用时的锚杆抗拔拉力进行对比分析。

再改变锚杆垂直间距，将间距设置0.5 m，1 m，1.5 m，2.5 m，3 m等按照上述方法计算锚杆的抗拔力。与单根锚杆作用于边坡的锚杆抗拔力进行对比，其结果如图4所示。

图4 不同锚杆间距的锚杆抗拔拉力

图4中，多根锚杆作用于边坡时，a点的锚杆抗拔力随着锚杆的间距增大而增大，逐渐接近于单根锚杆作用于边坡时的抗拔力。以此说明锚杆间距对锚杆的群锚效应存在一定的影响。

2.4 锚杆数目对群锚效应的影响

取奇数根锚杆，锚杆长度为12 m，锚杆间距为2 m，以倾角为15°布设于边坡上，将其中一根锚杆布设在a点，其余布设在a点的两侧，奇数根锚杆的数目设置为3，5，7，利用软件计算不同数目的锚杆下a点处的锚杆的抗拔力的变化，其结果如图5所示。

图5 不同锚杆数目下的锚杆抗拔力

从图5可知，随着锚杆的数目增加，边坡上a点处的锚杆的抗拔力先减小后趋于平稳，说明多根锚杆的数目对锚杆的抗拔力存在影响，也由此说明锚杆的数目对群锚效应存在一定的影响。

3 基于正交法的锚杆支护参数优化设计

在工程中为了能避免锚杆产生群锚效应，而使每根锚杆能够充分发挥自身的锚固作用，需要对锚杆参数进行优化设计，并且对锚杆的长度、间距、数目对群锚效应影响程度进行分析。

3.1 正交试验因素水平确定

将锚杆的长度、锚杆间距、锚杆数量这些因素分为3个水平，其主要影响因素水平如表3所示。这3个因素中的任意两个都没有交互作用。其中锚杆数目设置为单数，方便讨论锚杆数目对群锚效应的影响。

表3 锚杆各因素水平

3.2 正交试验结果

在表4中，3种水平的正交表列出了L9(34)正交试验方案，将锚杆长度、锚杆间距、锚杆数目等因素分别记为A，B，C，运用FLAC3D软件进行计算边坡a点处的锚杆的抗拔力和边坡的安全系数，以此作为评价指标。其计算结果如表4所示。

表4 正交试验的结果

根据上述正交试验说明，此次试验的试验结果锚杆抗拔拉力的最大值是方案6其次是方案9，其a点的锚杆的抗拉力分别为223 kN和221 kN，但是从边坡安全系数的评价指标角度来看，方案9的安全系数为1.5＞1.25(工程中规定边坡稳定界限值)，而方案6的安全系数1.24＜1.25。所以对于该边坡断面来说，锚杆采用锚杆长度为12 m，锚杆间距为2.5 m，锚杆数目为5根的布设方式对群锚效应是相对较小。这种锚杆支护方式对该边坡坡面支护效果是最好的。

表5 各因素级差评价

表5中的数据说明锚杆的长度在所有影响锚杆的群锚效应中最为明显，其次是锚杆的间距，最后是锚杆的数目。所以用锚杆加固边坡时，应该根据实际工程情况对锚杆长度的选择要进行全方位的衡量，既要考虑每根锚杆的支护效果，又要考虑锚杆支护整个坡面时的安全系数。

4 结语

1)锚杆的布设形式对锚杆的群锚效应存在一定的影响。增加锚杆的长度、锚杆数目，减小锚杆间距会有助于提高边坡的安全稳定性，但是也会减小锚杆的抗拔力，从而降低锚杆的支护效果。

2)在影响锚杆的群锚效应的参数中，锚杆长度在影响锚杆的群锚效应所有因素中最为明显，其次是锚杆的间距，最后是锚杆的数目。

3)锚杆采用长度为12 m，间距为2.5 m，数目为5根的布设于该边坡断面上，此时的群锚效应是相对较小，支护效果也较好。

［1］张大伟.群锚作用的受力浅析［Z］.

［2］肖昭然，李象范，侯学渊.岩土锚固工程技术［M］.北京:人民交通出版社，1996.

［3］何思明，王成华，乔建华.预应力锚索群锚效应研究:理论与建模［J］.中国科学 E 辑技术科学，2003，33(sup):101-109.

［4］戴运祥.斜拉土层锚杆的群锚效应［D］.上海:同济大学博士学位论文，1993.