剪切滑移型反倾向岩质边坡锚固参数优化研究

谢宝香 ，张春惠 ，张宗堂

1.山东华宇工学院 能源与建筑工程学院，山东 德州 253000；

2.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411100

近年来，随着反倾向岩质边坡失稳事故的频繁发生，许多相关工程的施工、运营、设计过程受到很大影响，严重威胁着人们的日常生活和生命财产安全［1-10］。为了解决此类工程问题，国家花费大量财力开展反倾向岩质边坡失稳事故的预防治理措施研究。因此，找出可靠有效的工程开挖支护措施，对工程实践具有指导意义。

对于岩质边坡而言，锚杆加固是最为经济的加固方式［11］。采用锚杆加固可以减少层间错动，增大层间抗滑力，提高边坡稳定性。Aydan 等［12］最早提出用全长黏结型锚杆对弯曲倾倒变形边坡进行加固。张布容［13］、屈新等［14］通过建立“串层锚杆”加固倾倒变形反倾向层状边坡的极限平衡分析方法，分析了“串层锚杆”的长度、数量和加固位置对此类边坡稳定性的影响，同时给出了该边坡的“串层锚杆”最佳加固方案。高旭等［15］构建锚固力解析计算模型，结合反倾向岩质边坡实例，探讨了锚杆距坡顶的距离对锚固力的影响规律。郑允等［16］基于悬臂梁理论，构建锚杆局部加固后反倾向岩质边坡的力学模型，提出了加固后的边坡安全系数计算公式，并通过离散元软件建立锚杆加固的数值分析模型，将数值模拟和力学模型得到的结果进行对比，验证了力学模型的正确性。

目前，锚固措施主要应用于发生倾倒变形的反倾向岩质边坡，但由于受到岩体与结构面的物理力学参数、坡体几何参数、初始地应力等的影响，反倾向边坡的破坏模式会发生改变，除倾倒变形以外，还有滑移、崩塌等［17-18］。本文结合工程案例，通过建立数值分析模型，系统分析“锚杆”的长度、数量和加固位置对剪切滑移变形的反倾向层状边坡稳定性的影响规律。

1 工程概况

场地位于湖南省湘乡市棋梓桥镇S312 娄湘公路K34+700 处，附近有一条大富冲-普安堂的断裂带通过。边坡所在山体为单斜构造，岩体倾向基本一致，岩体为板岩，产状为NE5°～8°∠40°～50°，倾向与边坡倾向相反，为反倾向岩质边坡，由人工填积填筑土、残坡积粉质黏土（厚度很小）构成。场地基岩和边坡岩体稳定受到裂隙因素影响，有两条裂隙影响较大，L1：WS190°～195°∠55°～60°，L2：NE60°～70°∠75°～80°，均为张裂隙，5～20 条/m，较平直，裂面较粗糙，无填充，延伸大于20 m。平行岩层有3条破碎带，宽约0.5～1.0 m，破碎带岩石裂隙发育强烈，呈鳞片、碎屑状，含泥质物。

2 数值模拟

2.1 边坡简化模型

本文依托工程实例，根据工程地质概况和开挖方式，采用有限差分软件FLAC3D模拟边坡的变形行为，建立数值分析模型，如图1 所示。其中，边坡坡角为68°、岩层倾角45°、岩层厚度4 m、坡高30 m，开挖坡率分别为1∶0.4、1∶0.5、1∶0.75。为了减少边界条件对模型结果的影响，更好地还原实际的边坡变形情况，对模型左右和底部进行了约束。

图1 边坡简化模型Fig. 1 Slope simplified model

2.2 边坡模型参数

数值模拟中，输入参数直接影响数值分析的结果，而参数的选取和岩土体的本构模型相关。本文采用莫尔-库伦本构模型反映岩体应力应变关系，涉及的物理力学参数有弹性模量、黏聚力、内摩擦角、重度等，如表1 所示；控制层间接触面强度的参数有切向刚度、法向刚度、层间内摩擦角、抗拉强度等，如表2所示。

表2 层间结构参数Table 2 Interlayer structural parameters

2.3 建立基准面

通过建立数值分析模型，得到了该边坡的最大剪应变增量云图，如图2 所示。从图2 中可以看出，当岩层倾角为45°时，反倾向岩质边坡的破坏模式为剪切滑移，滑动面形状为直线型，滑动面边缘距临空面约为5 m。

图2 边坡最大剪应变速率增量云图Fig. 2 Increment cloud map of maximum shear strain rate of slope

2.4 锚固参数方案

根据前人的研究［12-14］，锚杆长度、锚固角、锚杆加固位置等因素和锚杆锚固效果相关。本文着重讨论锚杆长度、锚固角、锚杆加固位置等锚固参数。根据滑动面的位置及三者之间的关系，制定锚固参数方案如表3所示。每种方案所采用的锚杆及注浆体参数如表4所示。

表3 锚固参数方案Table 3 Anchoring parameter scheme

3 锚固参数的分析及优化

本文通过建立反倾边坡数值模型，对不同锚固参数下反倾边坡的变形破坏特征和锚固力加固机理进行分析，以揭示各个参数与反倾边坡滑移变形特征的响应关系。

3.1 锚固位置

采用FLAC3D软件模拟锚杆加固位置分别为坡底（距离坡底10 m）、坡中（距离坡底20 m）、坡顶（距离坡底30 m）时，锚固角一定，锚杆长度不同的边坡变形过程，分析边坡最大水平位移、最大竖向位移，锚杆锚固力及边坡安全系数随锚杆加固位置的变化趋势，结果如图3～图6所示。

图3 边坡最大水平位移与锚固位置关系Fig. 3 Relationship between maximum horizontal displacement of slope and anchor position

图4 边坡最大竖向位移与锚固位置关系Fig. 4 Relationship between maximum vertical displacement of slope and anchor position

图5 锚杆锚固力与锚固位置关系Fig. 5 Relationship between anchor force and anchor position

从图3～图6 可以看出，随着锚固位置逐渐靠近坡底，边坡最大水平位移和最大竖向位移均不断减小，锚杆锚固力和边坡安全系数不断增大。当锚杆加固在坡底时，其位移值最小、锚杆锚固力和安全系数最大；当锚杆加固在坡顶时，其位移值最大、锚杆锚固力和安全系数最小。说明锚固位置位于坡底时，对剪切滑移破坏型的反倾向岩质边坡变形起到主要控制作用；锚固位置位于坡中时，锚固效果较好。实际工程中，不可以随意改变锚杆的加固位置，锚固在坡底时可有效提高边坡的抗滑移能力。

3.2 锚杆长度

采用FLAC3D软件模拟了锚杆长度分别为6 m、8 m、10 m、12 m 时，锚固角一定，锚固位置不同的边坡变形过程，分析边坡最大竖向位移、最大水平位移，锚杆锚固力，以及边安全系数随锚杆长度的变化趋势，结果如图7～图10所示。

图7 边坡最大竖向位移与锚固长度关系Fig. 7 Relationship between maximum vertical displacement of slope and anchor length

图8 边坡最大水平位移与锚固长度关系Fig. 8 Relationship between maximum horizontal displacement of slope and anchoring length

图9 锚杆锚固力与锚固长度关系Fig. 9 Relationship between anchor force and anchor length

图10 边坡安全系数与锚固长度关系Fig.10 Relationship between slope safety factor and anchor length

从图7～图10 中可以看出，锚杆长度＜8 m 时，随着锚杆长度的增加，边坡的位移和锚杆锚固力的变化率较小；锚杆长度≥8 m 时，锚杆越长，边坡的位移减小和锚固力及安全系数的增大越显著。说明采用锚杆作为加固结构时，增加锚杆长度可以提高锚固效果，但锚杆需穿过滑动面，且长度超过滑动面边缘3～4 m，否则起不到加固效果。从图中还可以看出，锚杆加固在坡底，且长度为12 m 时，边坡的位移最小，锚杆锚固力和边坡安全系数最大。这主要是因为发生剪切滑移破坏时，反倾向岩质边坡先从坡脚破坏，锚固在坡底时对边坡的变形起到主要控制作用，增加底层锚杆长度，锚固效果最优。

3.3 锚固角

采用FLAC3D软件模拟了锚固角分别为5°、10°、15°、20°、25°时，锚固位置为坡底，锚杆长度为10 m 的边坡的变形过程，分析边坡的最大竖向位移、最大水平位移，锚杆锚固力，以及边坡安全系数随锚固角的变化趋势，结果如图11～图14所示。

图11 边坡最大竖向位移与锚固角关系Fig. 11 Relationship between maximum vertical displacement of slope and anchor angle

图12 边坡最大水平位移与锚固角关系Fig. 12 Relationship between maximum horizontal displacement of slope and anchor angle

图13 锚杆锚固力与锚固角关系Fig. 13 Relationship between anchor force and anchor angle

图14 边坡安全系数与锚固角关系Fig. 14 Relationship between slope safety factor and anchor angle

从图11～图14中可以看出，锚固角越大，边坡位移越小，锚杆锚固力和边坡安全系数越大。说明增加锚固角可以使反倾向岩质边坡的稳定性提高。当锚固角小于等于20°时，边坡安全系数曲线的斜率变化很小；当锚固角大于20°时，曲线斜率变化较大。说明若要通过改变锚固角大小大幅度提高反倾向岩质边坡的抗滑性，支护结构锚杆的锚固角应大于20°。

4 结论

以湖南省湘乡市棋梓桥镇S312 娄湘公路K34+700 处反倾向岩质边坡为实例，采用有限差分软件FLAC3D，模拟边坡剪切滑移破坏过程，分析锚杆长度、锚固角、锚固位置等因素对发生此类破坏的反倾向岩质边坡稳定性的影响。得出结论如下：

（1）锚杆锚固角和锚固长度一定时，锚杆加固位置不同对反倾向岩质边坡稳定性的影响不同。锚杆加固在坡底时，边坡的整体变形量最小、安全系数最大，且抗变形能力最强。

（2）锚固角和加固位置一定时，锚杆越长，锚杆锚固力越大，边坡安全系数越高，边坡的最大竖向位移和最大水平位移随锚杆长度增加而不断减小。

（3）当锚杆锚固角小于等于20°时，随锚固角增大边坡的安全系数提高不明显。若要通过改变锚固角大小大幅度提高边坡抗滑性，则锚固角应大于20°。