格构梁锚杆联合加固边坡数值模拟分析

汪 洋 陈 涛 郑丽婷

（1、广东工业大学，广东 广州510006 2、广州工程总承包集团有限公司，广东 广州510200 3、广东省建筑设计研究院南沙分院，广东 广州511458）

随着我国经济与科技的高速发展，边坡治理工程也随之增多[1]，为此，研究边坡支护措施有非常重要的现实意义。格构梁锚杆联合支护结构作为一种新兴的柔性复合边坡加固措施，在边坡工程中的应用十分广泛[2]，但是，目前相关的理论研究滞后于广泛应用。

1 格构梁锚杆联合加固边坡机理

对于格构梁锚杆复合支护结构，就就格构本身来讲仅仅是一种传力结构，而加固的抗滑力主要由格构梁节点处的锚杆提供。将格构梁、锚杆与坡面土作为一整体考虑，下滑力将与锚杆的拉力平衡[3]。以单滑面为例，滑坡体下滑力P 的一个力的分量Pn与垂直于梁锚杆的分量Tni平衡。

下滑体产生的下滑力与锚杆的抗滑力平衡：

图1 格梁锚杆复合结构受力示意图

综合以上式（1）～（3）可以确定锚杆的锚固角度，通过锚杆拉力Ti，可确定锚固长度。

2 模型建立

2.1 本构模型的选取

本文选用莫尔库仑强度准则[4]，表达式为：

式中：

I1- 第一应力不变量；

J2- 第二偏应力不变量；

θ- 应力洛德角；

c- 土体黏聚力；

φ- 土体内摩擦角；

边坡稳定性分析采用强度折减法，其基本原理是将土体强度指标c、φ 值同时除以一个折减系数FS（安全系数），得到一组新的c′、φ′值，作为新的材料参数带入有限元进行试算，当边坡土体符合给定的临界破坏判定条件时，对应的FS被称为边坡的最小安全系数[5]。

2.2 模型本构参数

格构梁横截面尺寸为300mm×300mm，弹性模量为3.41×107kPa，密度为2.634t/m3，纵梁和横梁间距均为2m。锚杆设在格构梁节点处，弹性模量1.95×108kPa,直径28mm，设计抗拔力均为90kN。边坡土层参数详见下表1。

2.3 数值模型

本文采用二维模型。该边坡分六次开挖，格梁锚杆支护分五段进行。

先挖除区域1，再挖除区域2，然后支护第一段格构梁和锚杆；开挖区域3，然后支护第二段格构梁锚杆；重复以上工序，直至完成第五段格构梁锚杆支护。（图2-3）

图2 边坡开挖区域

表1 土层参数

3 数值模拟结果

本文分别对有无格构梁锚杆联合支护两种工况进行数值模拟，模拟结果如图4-9。

4 结论

本文利用大型有限元软件Abaqus 采用强度折减法分别对有无格构梁锚杆联合支护两种工况下边坡稳定性进行模拟，通过对比分析总结得出如下结论：

（1）在格构粱锚杆联合支护下，边坡内部的应力得到改善，塑性应变显著减小，滑坡体位移得到约束，边坡表面最大位移减小约5.2%。

（2）此次数值模拟分析无格梁锚杆联合支护土质边坡的安全系数为1.122，采用格构梁锚杆联合支护土质边坡安全系数为1.510，安全系数提高约34.6%，加固效果显著。

图3 格构梁锚杆复合结构

图4 无支护边坡位移

图5 有支护边坡位移

图6 无支护边坡塑性应变区

图7 有支护边坡塑性应变区

图8 无支护边坡应力

9 有支护边坡应力