不同上部结构下锚杆加固岩坡与结构及独立基础共同作用分析

周鸿轲 朱爱军 曾祥勇 赵欢乐

摘 要：目前国内对岩质边坡的锚固研究不多，本文采用有限元数值分析方法，对锚杆加固岩质地基在不同上部结构进行研究。计算分析表明：锚杆内力随锚固深度加深而减小，随离坡顶距离增大而增大;随着框架层数的下降，岩坡水平位移降低导致上部结构的水平位移也降低;随着框架层数的上升，基础向近坡面处倾斜，坡面处沉降较大，远离坡面沉降较小;随着建筑层数增加，基础的内力会增大，且此时基础内力分布不对称的趋势会随着边坡地基变形增大;随着建筑层数减少，坡顶上部框架底柱弯矩分布越接近于对称分布，随着建筑层数增加，底层框架边柱的弯矩分布会向反方向改变。本文所得结论对实际工程具有一定的参考价值和指导意义。

关键词：锚杆;岩质边坡;上部结构;独立基础;数值分析

中图分类号：TU470            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）02-0112-03

随着经济的发展和城市的扩张，城市用地越来越少，目前，国内建立了未锚固和锚固条件下的土质边坡变形及变形区计算方法[1-3]，但对岩质边坡的锚固研究不多，在实验数据和工程实践基础上提出多种力学模型，包括杆单元模型、梁或柱单元模型、等效模型等。本文在此基础上，采用Drucker-Prager模型[4]，对锚杆加固岩质地基[5-6]在不同上部结构及独立地基共同作用进行有限元数值模拟分析[7]，得出一些定性结论，对相关工程有一定的指导和参考意义。

1 计算模型建立

如图1，分别设置为三种不同层高的框架结构建筑物，其中柱间距为6米，每一跨跨度也为6米，分别设置6层框架的柱截面为0.25m2，12层框架的柱截面为0.49m2，18层框架的柱截面为0.81m2，横梁截面宽为0.3m、高为0.55m。基础采用柱下独立扩展基础，其中台阶高度为0.5m，底面尺寸为2m×2m。上述结构物均采用C30混凝土。建筑物相邻岩质边坡坡脚为90o。

为了建模与研究便捷，本文从纵向截取部分结构进行研究。如图2所示，为了使得上部结构与地基基础在进行变形计算时达到受力平衡。将建筑物柱下部和岩质边坡接触的部位设置为两个单元的公共点，

2 本构模型及参数的选择

在数值分析时，假设柱下基础和岩质边坡顶端梁为线弹性材料，框架结构梁所受到的荷载由屋面设计荷载推出为13kpa。

所研究建筑物所在地区普遍为红层软岩，并应用D-P准则，采用ANSYS软件对其经i像那个数值分析，各项参数如表1所示。

在没有固定的整体建筑与岩质边坡共同作用分析的计算结果中，边坡中没有出现边坡破坏的塑性区，如果在此情况下加入锚杆支护结构，边坡的稳定性、安全性将得到更好的提升。

根据现在施行的建筑边坡工程技术规范，锚杆参数为表2，取单孔锚杆由3根直径28mm的HRB400的热轧带肋钢筋组成，锚杆间距为2.5m×3m，锚长度为6.56m。

3 不同建筑层数情况

3.1 边坡及框架结构的位移

图3（a）、（b）、（c）为计算模型正立面的中心的边坡剖面。由图3所示，离边坡最近的柱顶产生最大竖向位移。

如圖所示，位移最大处在离边坡最近的柱顶（见表4）和边坡坡顶（见表3），随着远离边坡建筑物柱顶的位移将减小。所以建筑物的层数越少坡顶荷载越小，表层的稳定性越大。在实际施工中，水平位移的控制与减少更能提高地基的稳定。

3.2岩坡锚杆受力

锚杆在不同高度建筑荷载的作用下，变化的规律大致与边坡变化规律相同。即插入边坡越深，内力越小。距离坡脚越近内力越大。但锚杆深度对内力的影响要大于边坡高度对内力的影响。

锚杆受力情况如图4

3.3基础的沉降和内力

在不同实常数与不同层数情况基础的沉降如图5所示。分别用不同线形表示不同层数。由图可知建筑层数的增加导致荷载增加从而导致沉降增加，也是导致基础沉降不均匀的条件之一。

由图5还能看出，相同层数情况下沉降分布为两边大中间小，呈U形分布，且远端住下独立基础的沉降大于近端沉降。但随着层数减少，两端的沉降差也会随之减小，从远端最大变为近端最大。

图6可看出，弯矩的大小会随着框架的升高逐渐增大，造成基础受力增加，弯矩也增大。同时紧挨边坡的基础受到边坡变形的影响，相较于其他住下基础来说变形也会增大。

3.4 坡顶建筑结构内力

图7中截取了不同框架的中间两品。

由图7所示，在低层框架中，底部柱的内力分布呈现对称，而中层框架中，底部柱的内力逐渐开始不对称，在高层框架中，底部柱的内力呈现完全不对称的结果，原因是距离边坡越近，层数越高，边坡的不均匀沉降将会越大，对柱的影响与将会增大。

4结论

本文研究了不同上部结构下锚杆加固岩坡与结构及独立基础共同作用，在不同条件下进行对比研究，对建筑物层数、基础与边坡距离两个因素在不同组合下进行研究，从而得出结论。

（1）建筑层数与岩坡水平位移降的下降，导致上部结构的水平位移也降低;

（2）随着框架层数的下降，岩坡水平位移降低导致上部结构的水平位移也降低;

（3）建筑物越高，基础整体向近坡面处倾斜，在远离坡面处，沉降较小;

（4）随着建筑层数增加，基础的内力均会随之增大，基础内力分布不对称的趋势会上涨，对于条基弯矩不对称的变化更为明显;

（5）随着建筑的升高，底层边柱的弯矩分布会逆向改变，随着建筑层数减少，坡顶上部框架底柱弯矩分布越接近于对称分布。

参考文献：

[1]曹太平. 土质高边坡稳定性分析与加固方法研究[D].兰州交通大学，2016.（Cao Taiping. Stability analysis and reinforcement method of high soil slope [D]. LanZhou JiaoTong University， 2016.（in Chinese））

[2]蒲会中. 土质边坡密层锚杆挡土墙对破裂面的影响研究[D].重庆交通大学，2015.（Pu Hui Zhong. Study on the influence of dense soil anchored retaining wall on the failure surface of soil slope [D]. Chongqing Jiaotong University， 2015.（in Chinese））

[3]王邓峮. 考虑锚杆预应力作用的锚固边坡稳定性研究[D].兰州理工大学，2013.（Wang Deng. Study on the stability of anchored slopes considering the prestressing force of anchors [D]. Lanzhou University of Technology， 2013.（in Chinese））

[4]張学言. 岩土塑性力学[M]. 人民交通出版社， 1993.（Zhang Xueyan. Geotechnical plastic mechanics [M]. people's Communications Press， 1993.（in Chinese））

[5]颜昌武. 岩质边坡地基与上部结构及基础的共同作用分析[D]. 重庆： 重庆大学， 2009.（Yan Changwu.Analysis of interaction between foundation and superstructure and foundation of rock slope[D].Chongqing： Chongqing University， 2009.（in Chinese））

[6]曾祥勇， 邓安福. 锚素与锚杆联合锚固支护岩坡的有限元分析[J]. 岩土力学， 2007， 28（4）： 790–794. （ZENG Xiang-yong， DENG An-fu. Finite element analysis of rock cutting slope reinforced by combined action of prestressed anchor cable and anchor bar[J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28（4）： 790–794. （in Chinese））

[7]  王勖成， 绍敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M]. 北京： 清华大学出版社， 1997. （WANG Xu-cheng， SHAO Min. Basic theory of the finite element method and numerical method[M]. Beijing： Tsinghua University Press， 1997. （in Chinese））