分析框架预应力锚杆边坡支护结构稳定性算法与应用

褚锦彩（核工业柳州工程勘察院，广西柳州545005）

分析框架预应力锚杆边坡支护结构稳定性算法与应用

褚锦彩（核工业柳州工程勘察院，广西柳州545005）

支护结构、锚杆会对土体边坡的稳定性产生影响，在这种情况下，结合土体边坡滑动面的极限平衡理论，利用圆弧滑动条分法，针对边坡危险性较高的滑移面，建立了相应的搜索模型，并对边坡滑移面圆心位置与稳定系数之间的函数关系进行分析。本文主要利用计算机技术确定滑移面圆心所处的具体位置，并采用网格法在圆心范围内搜索危险性较高的滑移面圆心，有效实现了框架预应力锚杆边坡支护结构稳定性的准确计算，并在基础上，对框架预应力锚杆稳定性的相关计算软件进行研究，仅供参考。

预应力锚杆；边坡支护；滑移面

1 前言

我国西部地区多为地形复杂的山区，在这些地区所涉及的公路、房屋建设均和边坡支护有关联。随着科学技术的不断发展，一些以岩土锚固技术为核心的新型支护结构被广泛应用边坡支护，传统的边坡支护结构具有造价高、操作复杂、稳定性差、支护高度受限等不足，而这种新型的支护结构具有经济性、外形美观、稳定性强等特点，有效弥补了传统支护结构的不足之处，在边坡支护工程中具有较高的应用价值。另外，还可以结合相关绿化措施，有效应用于公路、铁路和房屋建设中，避免发生滑坡现象，对保护周边环境及人身安全具有重要意义。

2 框架预应力锚杆结构模型

框架预应力锚杆支护结构属于轻型挡土结构，主要由挡土板、墙后土体、锚杆和框架组成。其中横梁、立柱和挡土板组成了框架，这三者连接处和楼盖的竖向梁板结构体系相似，锚杆锚头与框架在立柱与横梁交叉处进行连接，内端锚固被固定在土体中。挡土板水压力或土压力的传递流程为：土压力或水压力-钢拉杆-水泥砂浆-土层摩擦力-锚固区的稳定地层中，以承受挡土板的土压力或水压力对支挡结构的作用力，框架预应力锚杆支护结构立面图如图1所示。

图1 框架预应力锚杆支护结构立面图

在框架预应力锚杆边坡支护结构中，锚杆的主要作用在于对土体的力学性能与受力状态进行改善，将传统支护结构的被动型挡护转变为利用土体自身能力的主动型挡护，对土体位移进行有效控制。若边坡向外的破坏力不断增加，锚杆支护即可随之增大，直至超出极限平衡，从而对边坡的稳定性造成破坏，若将锚杆拔出，其支护力会逐步减小，而形成轻型柔性支护结构。由于框架预应力锚杆支护边坡已完全克服了传统边坡支护结构的弊端，再加上在具体的施工工程中对边坡的扰动较小，预应力锚杆可对边坡变形进行有效控制。在工程施工完成后，还可采取符合生态支护理念的绿化措施进行施工，可见，尽管框架预应力锚杆支护的作用机理与理论研究尚不成熟，但仍被广泛应用于边坡支护中，框架预应力锚杆支护结构剖面图见图2。

图2 框架预应力锚杆支护结构图

3 框架预应力锚杆稳定性的计算

3.1 圆弧滑动法

该方法主要适用于一些土质边坡或规模较大的岩质边坡中，在已经确定滑移面的基础上，边坡的稳定性可根据以下公式予以计算：

图3 稳定性验算简图

上述（1）～（3）式中：Ks表示边坡稳定性系数；MR、MT分别表示表示滑动面上抗滑力矩的总和、总下滑力矩总和；n表示滑动体分条数；H表示边坡支护的具体高度；m表示锚杆的层数；γ0表示重要性系数；R表示滑移面圆弧的半径；Wi表示第i分条土重；bi表示第i分条的宽度；Y表示圆心至地表面的主要距离；Cik表示第i分条滑裂面处粘聚力的具体值；φik表示第i分条滑裂面处内摩擦角的具体值；θi表示第i分条滑裂面处切线与水平面之间的夹角；αj表示第j层锚杆与水平面的夹角；Li表示第i分条滑裂面处弧长；s表示滑动体单元的厚度；q0表示边坡顶面荷载的分布；F表示框架锚杆底部水平推力的标准值。

3.2 圆弧滑动条分法

利用圆弧滑动条分法对边坡稳定性进行计算，在确定滑移面的情况下，即可获得准确的稳定性系数，因此，将危险性较高的滑移面确定下来，即可计算出最小安全系数，并根据该系数来判断边坡的稳定性是否满足相关要求。确定危险性较高滑移面的具体内容为：

3.2.1 两个假设

①假设圆心不会出现在直线OC的右侧和直线CE下侧，根据几何关系，则圆弧上任意切线与水平面的夹角为0～90°；②边坡危险性最高滑移面圆弧经过基坑底面的A处，见图4。

图4 高危险性滑移面的搜索模型图

3.2.2 建立搜索模型

如图4所示，建立以O′（-x′，-z′）为圆心、O（0，0）为坐标原点的直角坐标系。圆弧圆心O′的所在区域为矩形OCDE，以R为圆弧半径。在具体的搜索过程章，根据圆心位置的变化情况，来搜索滑移面，并对其对应的稳定性系数进行计算。在所建的坐标系中，建立圆心O′与稳定性计算公式之间函数关系Var（-x′，-z′），相关变量的详细计算内容如下：

图5表示锚杆在圆弧面外锚固体的具体长度，以第j层锚杆与圆弧交点为中心C（Xj）Zj+ΔZj，lfj、Lnj分别表示滑移面内锚杆长度和滑移面外锚杆长度，则锚杆总长度的计算公式为：

Lj=lfj+lnj（5）

图5 锚杆在滑移面外长度计算简图

4 工程实例

4.1 工程概况

某大楼的边坡支护分为上下两级，第二级边坡采用框架锚杆进行支护，支护高度为12m，边坡重要性系数和安全系数分别取1.0、1.3，边坡土体的设计参数见表1。

表1 设计参数

4.2 支护方法及设计结果

利用框架锚杆预应力锚杆进行支护，并对其结构整体稳定性进行验算。相关验算结果是满足相关稳定性要求的，框架锚杆支护设计剖面如图6所示。

图6 支护结构设计剖面图

5 结论及讨论

（1）极易极限平衡理论，通过圆弧滑动条分法建立最危险滑移面搜索模型，并根据该模型，推导出了滑移面圆心与安全系数之间的函数关系，并利用计算机技术来确定圆心所在区域，从而对框架预应力锚杆支护结构的稳定性进行验算，大大提高了滑移面搜索的效率和质量。

（2）支护结构、锚杆会对土体边坡的稳定性产生影响，且最危险滑移面是随着设计参数的变化而发生变化的，而通过经验公式来确定最危险滑移面是不可靠的，而通过计算机动态搜索技术来确定最危险滑移面具有一定的科学性和合理性。

（3）对框架预应力锚杆支护结构的稳定性进行验算，所建立的计算模型尚存在较多不完善之处，比如：土体参数的不确定性、锚杆与土体的相互作用等因素会影响边坡的稳定性，因此，应进一步完善和改进其中存在的问题。同时，还应加强对数值计算、计算机仿真等方面的研究，以确保边坡支护的稳定性。

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[2]周 勇，王栋良，赵 红，等.强降雨条件下岩土互层边坡稳定性分析[J].甘肃科学学报，2015，27（2）：60～63.

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TU43

A

2095-2066（2016）33-0101-02

2016-11-10