赣南高速公路边坡玻璃钢锚杆支护效果的数值模拟

余 科,简文星, 樊友庆,牛国良

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司,江西 南昌 330000；3.江西省交通设计研究院有限责任公司,江西 南昌 330000)

锚杆支护高速公路边坡是一种既方便施工又经济实惠的边坡加固手段，根据规范对开挖或填方边坡进行防护设计可以很好地满足工程需要[1]。但在我国南方降雨较多或地下水丰富的地区，工程上常采用砂浆包裹钢筋锚杆进行支护处理，在长期支护过程中，坡体位移导致砂浆包裹体出现裂隙，进而引起地下水对钢筋杆体的腐蚀，钢筋腐蚀软化后提供坡体所需承载力下降，进一步导致砂浆包裹体在坡体位移下破裂，最终造成砂浆包裹钢筋锚杆失去锚固效果而引发工程事故[2-4]。针对此种情况，目前国内外对耐腐蚀的玻璃钢锚杆支护边坡进行了大量的试验研究。如黄军等[5]通过对玻璃钢锚杆进行拉伸和剪切性能试验，结果表明：玻璃钢锚杆抗拉强度介于HRB335与HRB400钢筋之间，其破坏形态为脆性破坏，抗剪强度为抗拉强度的1/3，整体性能良好，能满足支护需要；崔宇鹏等[6]通过玻璃钢锚杆与水泥砂浆室内拉拔试验，比较了同等直径钢筋锚杆与水泥砂浆的握裹力，结果发现：玻璃钢锚杆与水泥砂浆的握裹力随锚固深度的增加而增加，且全长锚固效果优于端头锚固，玻璃钢锚杆与相同条件的钢筋锚杆相比，握裹力相接近，能够达到支护要求；李凯雷[7]通过试验对玻璃钢锚杆杆体耐久性和杆体黏结耐久性进行了研究，结果表明玻璃钢锚杆具有良好的杆体耐久性和杆体黏结耐久性性能，能满足边坡锚固的设计要求。

通过前人的研究成果，可以得出玻璃钢锚杆本身的抗拉强度和抗剪强度均满足边坡支护的要求，同时其与砂浆包裹体之间的握裹力也能够达到工程需求，尤其在南方特殊的环境下，玻璃钢锚杆体的耐腐蚀特性能有效避免边坡在长期支护过程中，由于坡体位移造成的砂浆包裹体出现裂隙进而导致的恶性循环。为了进一步在降雨较多或地下水丰富的地区推广使用玻璃钢锚杆，有必要对其支护边坡的防护效果进行深入研究。为此，本文采用近些年来在岩土工程中广泛使用的数值模拟方法[8]，以赣南安远—定南高速公路A2标段山下深切边坡为例，对玻璃钢锚杆在高速公路边坡的支护效果进行了数值模拟与分析。

1 高速公路边坡支护的数值模拟

1. 1 某山下深切边坡工程地质概况

某山下深切边坡位于赣南安远—定南高速公路A2标YK170+480～YK170+777右侧，为六级开挖边坡。该山下深切边坡所处区域属亚热带湿润性季风气候区，区内降雨量充沛，河流众多。该地区地貌属低山丘陵地貌，地势起伏较大，平均海拔高度约445 m。

图1 某山下深切边坡地质剖面图Fig.1 Geological section diagram of a deep slope注：①含砾粉质黏土；②强风化凝灰熔岩；③中风化凝灰熔岩

该山下深切边坡为岩土二元结构边坡，根据钻孔(ZK3、ZK4)揭露，其从上往下岩土体可以分为：含砾粉质黏土、强风化凝灰熔岩和中风化凝灰熔岩(见图1)。①含砾粉质黏土：成分以黏粒为主，粉、砂粒次之，含砾石为25%，岩芯呈土柱状、土状；②强风化凝灰熔岩：岩体破碎，节理裂隙极发育；③中风化凝灰熔岩：岩体较破碎-完整，岩质坚硬，敲击声脆，块状构造。

该地区地下水主要为第四系潜水和裂隙水，一般与地表水贯通、互补，地下水位随季节变化较大。钻探揭露地下水埋深较深，对边坡的稳定性无明显影响。

1. 2 边坡数值模型的建立

采用Ansys软件对该边坡进行网格划分，为优化计算时间，边坡整体网格划分采用5 m单元格；由于需要重点分析锚杆支护情况下的应力、应变场，则对边坡开挖一、二级进行网格局部加密，采用1 m单元格；整个边坡共划分为1 027个单元，2 168个节点。边坡建模约束条件为下部固定，左右两侧水平约束，上部为自由边界，计算收敛准则为不平衡力比率(节点平均内力与最大不平衡力的比值)[9]满足10-5的求解要求。采用摩尔-库仑本构模型计算边坡整体受力状况，并以计算是否收敛作为边坡失稳的判据。

对边坡进行锚杆支护模拟时，采用FLAC3D数值模拟软件中的Cable模块对玻璃钢锚杆的力学行为进行模拟。Cable加固单元由几何参数、材料参数以及水泥浆特性来定义。锚杆构件假设为两节点之间具有相同横截面及材料参数的直线段，且为弹塑性材料，在拉、压中屈服，不能抵抗弯矩。锚杆与水平面夹角为20°，以间距为3 m×3 m布设在边坡开挖一、二级，锚孔径150 mm。注浆采用C30水泥砂浆灌浆材料。该边坡玻璃钢锚杆支护的数值模型如图2所示。

图2 某山下深切边坡玻璃钢锚杆支护的数值模型Fig.2 Numerical model of bolt support for a deep slope

1. 3 计算参数的选取

该边坡中含砾粉质黏土的物理力学参数利用室内三轴试验获取[10]；强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔岩的物理力学参数取自本项目工程地质勘察报告[11]；岩土体的弹性模量和泊松比通过工程类比法[12]获得。岩土体的物理力学参数详见表1。

表1 某山下深切边坡岩土体的物理力学参数

玻璃钢锚杆的参数主要通过试验获取。采用万能材料试验机，对直径为25 mm、长度为55 cm的玻璃钢锚杆进行拉伸试验，试验中玻璃钢锚杆一端固定，另一端被施以3 kN/s加载速率进行拉伸，直到锚杆拉拔破坏，从而确定玻璃钢锚杆的弹性模量。试验得到的玻璃钢锚杆的参数详见表2。

表2 玻璃钢锚杆的参数

2 数值模拟结果与分析

2. 1 边坡剪应力分析

该边坡支护前后坡体最大剪应力分布云图见图3和图4。

图3 边坡支护前坡体最大剪应力分布云图Fig.3 Max shear stress cloud map of the slope before supporting

图4 边坡支护后坡体最大剪应力分布云图Fig.4 Max shear stress cloud map of the slope after supporting

由图3可见，该边坡采用玻璃钢锚杆支护前，最大剪应力成层均匀地向坡体深部过渡，在边坡坡脚处较大剪应力(136 kPa)等值线向较小剪应力(68 kPa)等值线呈现局部汇聚的现象，表现为边坡坡脚处剪应力集中。

由图4可见，该边坡采用玻璃钢锚杆支护后，玻璃钢锚杆的锚固作用有效地减缓了边坡坡脚处剪应力局部集中的现象，且136 kPa等值线恢复了层状趋势，表明整体上提高了边坡的稳定性。

2. 2 边坡剪应变分析

该边坡支护前后坡体最大剪应变增量分布云图见图5和图6。

图5 边坡支护前坡体最大剪应变增量云图Fig.5 Max shear strain increment cloud map of the slope before supporting

由图5可见，该边坡采用玻璃钢锚杆支护前，由于坡体强风化凝灰熔岩的物理力学性质较差以及坡体高陡的地形，使坡体最大剪应变增量(0.197)(见图5中红色区域)位于强风化层，其埋深较深，且剪应力集中在坡脚处，若坡体发生破坏，其对公路边坡的危害极大。

图6 边坡支护后最大剪应变增量分布云图Fig.6 Max shear strain increment cloud map of the slope after supporting

由图6可见，该边坡采用玻璃钢锚杆支护后，由于锚杆与坡体内强、中风化层岩土体形成组合梁受力形式，使坡体最大剪应变增量(0.197)由图5所在区域转移至边坡开挖三级坡口处(见图6中红色区域)，且最大剪应变增量区域变小，有效降低了坡体破坏可能对公路边坡造成的危害。

2. 3 边坡塑性区分析

该边坡采用玻璃钢锚杆支护前后坡体的塑性区分布云图见图7和图8。

图7 边坡支护前坡体塑性区分布云图Fig.7 Plastic zone of the slope before supporting

由图7可见，该边坡采用玻璃钢锚杆支护前，在边坡坡脚处以及坡体临空面四周的围岩均出现了塑性状态(见图7中红色区域)，其中边坡开挖一、二级处塑性区较大，其余次之，并向坡体深部有一定的延伸，总体上呈“条带状”分布；边坡塑性区破坏形式以剪切破坏为主，坡体平台区域有小范围拉伸破坏。

图8 边坡支护后坡体塑性区分布云图Fig.8 Plastic zone of the slope after supporting

由图8可见，该边坡采用玻璃钢锚杆支护后，边坡塑性区破坏形式同样以剪切破坏为主，但坡脚处塑性区明显变少(见图8中红色区域)，表明采用玻璃钢锚杆支护后，玻璃钢锚杆通过锚固剂与围岩的相互作用，提高了围岩强度，有效地改善了围岩的塑性状态。

2. 4 玻璃钢锚杆受力分析

该边坡中玻璃钢锚杆的受力分布云图见图9。

图9 边坡中玻璃钢锚杆的受力分布云图Fig.9 Force analysis cloud map of GFRP bolts in the slope

由图9可见，该边坡坡脚处的2根玻璃钢锚杆应力较小，对锚固边坡未发挥作用，其余6根玻璃钢锚杆都发挥了作用，其中锚杆最大轴力达51 kN，大部分玻璃钢锚杆承受拉力，且在粉质黏土层与强风化凝灰熔岩层分界面处玻璃钢锚杆所受的轴力最大。进一步分析图9可知，玻璃钢锚杆在锚固边坡中的受力并不是均匀的，而是遵循中间大、两端小的分布规律。对于整个边坡而言，边坡二级上部锚杆的受力明显大于边坡一级上部锚杆的受力，且边坡一级中锚杆的最大拉力为32 kN，约为锚杆承受最大拉力的60%，锚杆承受的轴力在边坡潜在滑动面处达到最大值，在滑动面两侧则急剧减小，说明锚杆对滑动面起到了连接缝缀的作用；边坡一级下部2根锚杆受轴向拉力较小，这是因为此处边坡为中风化层，岩体物理力学性质较好，锚杆的加固效果不明显；边坡二级上部锚杆的受力较大，说明锚杆提高了土层的强度和自稳能力，对防止边坡下滑起到了积极的作用，表明玻璃钢锚杆锚固边坡以维护边坡的稳定是切实可行的。

3 结 论

本文以赣南安远—定南高速公路山下深切边坡为例，采用FLAC3D数值模拟软件，建立了边坡支护前后数值模型，对玻璃钢锚杆在该边坡中的支护效果进行了数值模拟，并对比分析了边坡支护前后坡体应力、应变以及塑性区的变化情况，得出如下结论：

(1) 玻璃钢锚杆在边坡支护过程中，其受力承受范围远远低于其极限抗拉能力，说明采用玻璃钢锚杆支护边坡是可行的。

(2) 玻璃钢锚杆在边坡支护中起到的增韧止裂效应以及与岩层结合形成的组合梁受力形式，能有效地减缓边坡坡脚处剪应力集中，并使潜在滑动面在坡体内上移，起到了稳固边坡的作用。

(3) 根据玻璃钢锚杆受力分析可知，在边坡一级下部的2根锚杆受力较小，在进行优化设计时，可以考虑省掉在中风化层处的锚杆加固，以节约支护成本。