锚杆支护对宝鸡林家村水电站边坡加固效果研究

李海燕

（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局林家村水电站,陕西 宝鸡 721000）

0 前言

锚杆的设置位置选择在锚杆支护加固方式中十分关键,不同的位置选择,会造成锚杆支护对边坡的加固效果不同,在采用相同数量锚杆对边坡进行加固时,位置选择恰当有时会达到事半功倍的效果,但是,现代边坡工程锚杆支护加固施工中,由于设计的安全系数较高,往往忽略了这一点。张宗领等[1]认识到在基坑转角处锚杆复合支护结构墙体有明显的空间效应的特点,提出可对这一优点加以利用,以节约转角处锚杆的用量,以免该位置处设计过于保守,增加工程量和造价,通过在三维有限元软件中建立全尺寸模型,分析计算相应的基坑转角处的空间优化效应,为锚杆支护的进一步优化设计提供了根据。程建华等[2]为进一步研究复合锚杆支护体系的整体稳定性,在讨论极限平衡法及有限元法局限性的基础上,提出运用突变论评价体系稳定性的新思路。首先,根据锚杆支护的加固机理将复合支护体系简化为作用于钉土加固体的单一支护体系,并建立简化力学模型；其次,根据钉土加固体的能量方程建立势函数,引入突变模型,通过变量转换得出标准形式；最后,由失稳判据求解钉土加固体的临界状态。研究结果表明将复合锚杆支护体系视为钉土加固体,以塑型耗散能增量作为突变判据,可用于评判其整体稳定性。所提出的方法对于推进复合锚杆支护体系的稳定性分析有着一定的参考作用和借鉴意义。朱晓云等[3]采用FLAC3D分别研究了锚杆墙与桩锚组合支护结构对北京某深基坑的加固效果,得出了在采用两种不同方案时,基坑的哪些部位可以进行缩短或弱化处理,为节约工程成本提供了参考。苑金秒等[4]通过结合工程实例分析了锚杆墙在基坑开挖工程中的设计方法上的进一步改进方向。朱彦鹏等[5]采用有限元PLAXIS软件对西北某深基坑工程进行了初次支护及二次加固的二维数值计算,然后将获得的数值结果和现场监测数据对照后,认为该基坑经过二次加固后的稳定性良好。

下文对黏土边坡进行锚杆不同位置设置的边坡稳定性研究,通过模拟同一边坡同种数量的锚杆支护条件下,上部锚杆位置设置不同时,指示边坡稳定性的边坡安全系数计算结果和指示边坡稳定性的最终的临界滑面上土体的摩擦强度大小结果的分析比较,得出该黏土边坡在采用锚杆加固方式对其进行加固时,锚杆应设置的位置。

1 工程地质

该土质边坡工程位于陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局林家村水电站,边坡的稳定对水电站运行非常关键,第四纪沉积黏土构成了该边坡土体的主要组成成分,第四纪沉积黏土的相关物理力学参数见表1,该边坡的几何特征见图1。

图1 黏土边坡剖面

表1 沉积黏土层参数

2 Geo-studio软件简介

Geo-studio岩土工程软件内置了多个分析计算模块,各个模块设置专为不同的特别计算分析,其中的Slope是设计为边坡相关工程的计算分析服务的,在该模块中,既可以进行桩基和支护方式对边坡工程进行加固设置,又可以进行锚杆支护的加固方式设置。通过将锚杆的位置坐标进行变化,即可进行相应不同位置下锚杆支护对边坡加固效果的研究分析。

3 边坡体模型建立

依托如图1中所示的公路路堑边坡模型,构建成了如图2所示用于数值计算的边坡模型,通过将下部锚杆位置进行固定,变化上部另一根锚杆的具体位置,分析两种情形下,得到的稳定性相关参数的计算结果。

图2 边坡计算模型

4 模拟结果

先固定最下端一根锚杆位置,变化上部锚杆位置时计算求解的安全系数和土体抗剪强度,比较不同位置锚杆加固时边坡的稳定性计算结果。

（1）上部锚杆位置位于第二根时

如图3 所示（图中之所以建立四根,是为了方便描述锚杆设置位置,其中的两根没有设置相应的作用力）,采用两根锚杆进行加固时,将上部锚杆位置设置成第二根时,计算求解得到的稳定性相关参数和滑移面指示结果,图中位于上方红圈旁边位置处的横线上方的标注值是最终计算得到的安全系数,由图中可知,当上部锚杆位置设置成第二根时,该第四纪黏土边坡经过两根锚杆加固后的安全系数值为1.332,满足《建筑基坑设计规范》中的边坡工程应具有大于1.2 的安全系数要求,说明边坡是安全的。

图3 第二根和第四根有作用力时的边坡稳定性

图4所示为设置第二根和第四根锚杆有作用力时临界滑面上土体的摩擦强度随着X值的变化特征,由图可知,当设置第二根和第四根锚杆有作用力,对该边坡进行加固时,土体中临界滑面上土体的最大摩擦强度约为95 kPa,并且从临界滑面的最左侧土条开始,随着土条位置逐渐向右,摩擦强度逐渐增大,当在18 m左右位置达到极大值95 kPa后,迅速减小,当到达位置21 m左右处,减小至0 kPa左右,在达到27 m时,最终减小至0 kPa,说明临界滑体的左半边土体承受的摩擦强度较大,在临界滑面上发挥了较大作用。

图4 第二根和第四根有作用力时的滑面抗剪强度

（2）上部锚杆位置位于最上端时

如图5 所示（图中之所以建立四根,是为了方便描述锚杆设置位置,其中的两根没有设置相应的作用力）,采用两根锚杆进行加固时,将上部锚杆位置设置成第一根时,计算求解得到的稳定性相关参数和滑移面指示结果,图中位于上方红圈旁边位置处的横线上方的标注值是最终计算得到的安全系数,由图中可知,当上部锚杆位置设置成第一根时,该第四纪黏土边坡经过两根锚杆加固后的安全系数值为1.101,明显小于将该根锚杆位置设置为第二根时的安全系数求解结果,且不满足《建筑基坑设计规范》中的边坡应具有大于1.2 的安全系数要求,说明边坡是有可能发生失稳破坏的。

图5 最上端和最下端两根锚杆有作用力时的边坡稳定性

图6所示为设置第一根和第四根锚杆有作用力时临界滑面上土体的摩擦强度随着X值的变化特征,由图中可知,当设置第一根和第四根锚杆有作用力,对该边坡工程进行加固时,土体中临界滑面上土体的最大摩擦强度约为96 kPa,并且从临界滑面的最左侧土条开始,随着土条位置逐渐向右,摩擦强度逐渐增大,当在18 m左右位置达到极大值96 kPa后,迅速减小,当到达位置21 m左右处,减小至0 kPa左右,右端土条与临界滑面的摩擦作用力明显小于设置第二根和第四根锚杆有作用力时的情况,在达到24 m左右时,最终减小至0 kPa,说明左半边土体承受的摩擦强度较大,在临界滑面上发挥了较大作用,同时说明了临界滑体相对于设置第二根和第四根锚杆有作用力时的临界滑体体积较小,临界滑面上发挥摩擦作用的土条相对较少。

图6 最上端和最下端两根锚杆有作用力时的滑面抗剪强度

5 结论

（1）采用两根锚杆对土质边坡进行加固时,当上部锚杆位置设置成第一根时,该第四纪黏土边坡经过两根锚杆加固后的安全系数值为1.101,明显小于将该根锚杆位置设置为第二根时的安全系数求解结果。

（2）采用两根锚杆对土质边坡进行加固时,当上部锚杆位置设置成第一根时,临界滑体相对于设置成第二根时的临界滑体体积较小,临界滑面上发挥摩擦作用的土条相对较少。