杂填土边坡预应力锚索加固方案对比分析

陈 丹，高 健，池丽敏

（南京市水利规划设计院责任有限公司，江苏 南京 210006）

杂填土边坡预应力锚索加固方案对比分析

陈 丹，高 健，池丽敏

（南京市水利规划设计院责任有限公司，江苏 南京 210006）

杂填土边坡在堆积之后不采取必要的加固措施，很容易产生地质灾害。预应力锚索作为一种新型的边坡支护手段，在边坡加固边坡取的较好效果。以预应力锚索的锚固倾角为控制对象，借助二维有限元软件，对采用预应力锚索加固的杂填土边坡稳定性进行了模拟分析，结果表明：在地下水位埋藏较深、高地下水位、降雨入渗以及地震情况四种工况下，伴随着锚固倾角的增大，边坡安全系数先是增大，然后开始减小。综合分析考虑多种工况下的计算结果，当预应力锚索锚固倾角在26°左右时，加固后的边坡安全系数相对较大，加固效果相对较好，为后期工程设计提供一定的参考依据。

杂填土；边坡；预应力锚索；安全系数

0 引言

随着国家经济科技技术水平的提升，我国的城市建设也取得了巨大的进步。与此同时，城市中各类工程的大拆大建，也使得杂土等建筑垃圾日益增多。然而，城市中及城郊位置可以存放杂土的地域有限，回收处理或者运送到偏远的农村等地则成本较高。因此，很多杂土多选择就近依靠山坡或者凹地等直接堆填处理。任意堆填的杂填土往往不经压实处理，大多具有堆积高度较高、坡度较陡、土体压实强度不足、抗剪强度低、土质松软且土层分布不均匀等一系列的特点。杂填土的高边坡，如果在堆积之后不采取必要的加固措施，很容易产生局部坍塌、滑坡或者伴随降雨产生泥石流等地质灾害[1-3]。

因此，很有必要结合杂填土边坡的特点采取必要的加固措施，以增加边坡的稳定性和安全性。预应力锚索作为一种新型的边坡基坑支护手段，在国内外众多水利及岩土工程中取的较好的效果[4-8]，其主要是通过外加预应力的方法，将边坡表面的滑动体锚固在基岩上，以此达到加固边坡的目的。预应力锚索的倾角是锚索结构设计的一个主要参数，由于倾向的角度直接决定了预应力的施加方向，因此，锚索不同的倾角将会产生不同的加固效果。为了使锚索达到最优的加固效果，本文结合杂填土边坡加固工程，借助数值模拟的手段进行了研究分析。

1 工程概况及加固方案

1.1 工程概况及地质情况

本文所研究工程为位于北京市某山山麓的一杂填土填埋场，该场地由于地处山脚的隐蔽位置，常年疏于管理，逐渐演变成为了当体的杂土填埋场，经过一年多的堆积，填土高度已超过20余米。杂土堆填前后边坡的情况如图中所示，经过现场踏勘，发现杂填土表层的土体相对比较松软，堆填之后未采取任何加固措施，且杂土堆填之后没有经过压实，整个边坡稳定情况堪忧，亟需进行加固处理。

经过地质勘测，给出了该处典型的地质断面见图1，其中层①为后期的杂填土，一般较为松散，极不均匀，主要为工地弃土；以沉积岩块为主，粒径差异很大，一般粒径2～20 cm，最大粒径大于100 cm；含部分粘性土，局部含少量砖杂、灰杂等，表层压实度极低；层②为褐黄色，很湿，可塑，含少量云母、氧化铁等，分布不均；层③为灰黄，岩芯较完整，呈短柱状，采取率约60%～85%。

图1 典型地质勘测断面图

1.2 加固方案及分析工况

结合典型地质断面的工程地质情况，并参考类似项目的处理方法，该工程拟采用预应力锚索进行杂填土边坡的后期加固处理。具体方案是首先将杂填土表面固结未完成的覆土，按照∶2的边坡进行清除，然后，在新鲜的开挖面上，利用预应力锚索外加混凝土格构梁的型式进行加固。结合地质断面情况，本工程中拟采用预应力锚索总长25 m，其中自由段长20 m，锚固段长5 m，锚索按照7m的间距呈梅花形布置。

针对预应力锚索锚固角度问题，规范中建议锚固角度一般在15°～30°范围内，为了探究预应力锚索不同倾角对边坡加固效果的影响，本文设置了倾角18°、22°、26°和30°四种不同的预应力锚索加固方案。由于该工程地处Ⅶ度地震区，且地下水位埋藏较深，结合工程现状，主要计算分析四种工况下边坡稳定性：（1）地下水位埋藏较深的情况，（2）地下水位平地面的情况，（3）降雨入渗的情况，（4）地震的情况。

2 计算模型及边界条件

2.1 计算模型及材料参数

由杂土边坡典型地质断面可知，经过清理之后，边坡高度为23.70 m，边坡坡度为1∶2，破内基岩岩面线深约11.00 m，结合预应力锚索加固方案，利用有限元软件建立了杂土边坡的二维模型见图2。计算模型中，土体材料大致划分为两层，基岩面上部土体大都为后期的杂填土，基岩下部为边坡原始的基岩。为了便于计算分析边坡的稳定性，土体材料模型采用传统的摩尔—库伦模型，各层土体的材料参数见表1。

图2 预应力锚索加固设计断面图

表1 计算主要材料参数表

2.2 边界条件

计算过程中，考虑边坡的实际情况，在模型的底部设置竖直向的固定约束，在模型的左侧设置水平向的固定约束。同时，针对降条件下的计算工况，充分考虑了边坡在降雨过程中的渗流情况，在模型顶部施加了降雨强度的边界条件，并且考虑了持续时长为3 h的强降雨过程；此外，在地震工况下边坡稳定性分析时，设置地震水平向基本加速度值为0.20 g。

3 计算结果对比分析

借助有限元软件，对上述四种不同工况下多种预应力锚索锚固角度的边坡稳定性进行了计算，并就四种工况分析进行了讨论分析。

3.1 地下水埋藏较深情况

通过数据处理，可以得到地下水位埋藏较深的情况下，不采取加固措施（见图3），以及预应力锚索锚固角度分别为18°、22°、26°、30°时，加固后的边坡安全系数值及最危险滑动断面情况见图4。由图中数据可知，在地下水位埋深较深的情况，不采取加固措施时边坡的安全系数仅为0.69，远小于规范中针对边坡安全系数的最小限值1.20。

图3 无加固措施最危险滑弧示意图

图4 18°～30°预应力锚索加固后最危险滑弧示意图

当用预应力锚索进行加固之后，边坡安全系数得到明显的提升，预应力锚索倾角为18°、22°、26°、30°时所对应的边坡安全系数分别为1.509、1.642、1.673、1.602。由此可知，地下水埋藏较深情况时，不同锚固角度下杂土边坡的安全系数存在一定的差异，差异值在0.164左右，伴随着锚固倾角的增大，边坡安全系数先是增大，然后开始减小。锚固倾角在26°左右时，边坡安全系数最大为1.673，锚固倾角在18°左右时，边坡安全系数最小为1.509。

3.2 高地下水位情况

通过数据处理，可以得到搞地下水位的情况下，不采取加固措施（见图5），以及预应力锚索锚固角度分别为18°、22°、26°、30°时，加固后的边坡安全系数值及最危险滑动断面情况见图6。由图中数据可知，在高地下水位的情况，不采取加固措施时边坡的安全系数仅为0.687，远小于规范中针对边坡安全系数的最小限值1.20。

图5 无加固措施最危险滑弧示意图

图6 18°～30°预应力锚索加固后最危险滑弧示意图

当用预应力锚索进行加固之后，边坡安全系数得到明显的提升，预应力锚索倾角为18°、22°、26°、30°时所对应的边坡安全系数分别为1.549、1.628、1.700、1.591。由此可知，地下水埋藏较深情况时，不同锚固角度下杂土边坡的安全系数存在一定的差异，差异值在0.151左右，伴随着锚固倾角的增大，边坡安全系数先是增大，然后开始减小。锚固倾角在26°左右时，边坡安全系数最大为1.700，锚固倾角在18°左右时，边坡安全系数最小为1.549。

3.3 降雨入渗情况

通过数据处理，可以得到搞地下水位的情况下，不采取加固措施（见图7），以及预应力锚索锚固角度分别为18°、22°、26°、30°时，加固后的边坡安全系数值及最危险滑动断面情况见图8。由图中数据可知，在高地下水位的情况，不采取加固措施时边坡的安全系数仅为0.590，远小于规范中针对边坡安全系数的最小限值1.20。

图7 无加固措施最危险滑弧示意图

图8 18°～30°预应力锚索加固后最危险滑弧示意图

当用预应力锚索进行加固之后，边坡安全系数得到明显的提升，预应力锚索倾角为18°、22°、26°、30°时所对应的边坡安全系数分别为1.673、1.846、1.817、1.783。由此可知，地下水埋藏较深情况时，不同锚固角度下杂土边坡的安全系数存在一定的差异，差异值在0.173左右，伴随着锚固倾角的增大，边坡安全系数先是增大，然后开始减小。锚固倾角在22°左右时，边坡安全系数最大为1.846，锚固倾角在18°左右时，边坡安全系数最小为1.673。

3.4 地震情况

通过数据处理，可以得到搞地下水位的情况下，不采取加固措施（见图9），以及预应力锚索锚固角度分别为18°、22°、26°、30°时，加固后的边坡安全系数值及最危险滑动断面情况见图10。由图中数据可知，在高地下水位的情况，不采取加固措施时边坡的安全系数仅为0.422，远小于规范中针对边坡安全系数的最小限值1.00。

图9 无加固措施最危险滑弧示意图

图10 18°～30°预应力锚索加固后最危险滑弧示意图

当用预应力锚索进行加固之后，边坡安全系数得到明显的提升，预应力锚索倾角为18°、22°、26°、30°时所对应的边坡安全系数分别为0.793、0.815、0.830、0.825。由此可知，地下水埋藏较深情况时，不同锚固角度下杂土边坡的安全系数存在一定的差异，差异值在0.037左右，伴随着锚固倾角的增大，边坡安全系数先是增大，然后开始减小。锚固倾角在26°左右时，边坡安全系数最大为0.830，锚固倾角在18°左右时，边坡安全系数最小为0.793。

4 结论

杂填土边坡具有压实强度不足、抗剪强度低、土层分布不均匀等一系列的特点，如果在堆积之后不采取必要的加固措施，很容易产生地质灾害。预应力锚索作为一种新型的边坡支护手段，在边坡加固边坡取的较好效果。本文以预应力锚索的锚固倾角为控制对象，借助二维有限元软件，对采用预应力锚索加固的杂填土边坡稳定性进行了模拟分析，结果表明：在地下水位埋藏较深、高地下水位、降雨入渗以及地震情况四种工况下，不同锚固角度的边坡的安全系数存在一定的差异，伴随着锚固倾角的增大，边坡安全系数先是增大，然后开始减小。综合分析考虑多种工况下的计算结果，当预应力锚索锚固倾角在26°左右时，加固后的边坡安全系数相对较大，加固效果相对较好，为后期工程设计提供一定的参考依据。

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U417.1

B

1009-7716（2016）05-0134-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.037

2016-01-18

陈丹（1983-），女，江苏靖江人，工程师，从事水工、水运工程设计工作。