锚墩式主动防护网加固边坡防护效果数值分析

吴 兵, 梁 瑶, 赵晓彦, 李泽洲

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756)

0 引言

我国西南山区地形陡峭、地质复杂，在地震、暴雨及人为因素共同作用下，区内公路沿线大量高陡裸露岩质边坡时常出现浅表层风化剥落现象，部分裂隙发育地段甚至出现深层滑塌失稳，严重影响道路运营安全[1-2]。对于岩质边坡浅表层失稳，工程中常采用SNS主动网进行防护[3-4]；而对于深层滑塌，则多采用预应力锚索进行加固[5-7]。然而，当岩质边坡同时存在浅表层及深层失稳破坏时，由于SNS主动网中的短锚杆无法提供足够的锚固力，预应力锚索中的端头也难以对坡面进行全面加固，亟需对现有边坡防护结构进行改进。

为提升山区公路防灾减灾韧性，解决上述工程难题，学者们基于组合结构联合加固技术，对“框架锚索+主动防护网”、“主动加固+SNS防护网”及“垫墩锚索+主动防护网”等开展研究，提出一种由垫墩锚索和主动防护网组合而成的锚墩式主动防护网结构[8-10]：垫墩长锚索相比普通主动网中的短锚杆而言，可以提供足够的深层锚固预应力，对边坡整体进行主动加固；垫墩与坡面间的主动防护网在预张拉后则能有效防止边坡浅表层发生失稳破坏。

近年来，部分学者已通过模型试验及理论分析对锚墩式主动防护网的加固机理及设计方法进行研究，并取得一定进展[11-17]。然而，相较于常规结构，锚-网组合结构的防护效果有待进一步验证。因此，本文通过对省道S216线K46处典型高边坡开展锚墩式主动防护网结构的边坡防护效果数值分析研究，以期对其合理设计和进一步推广应用提供参考。

1 锚墩式主动防护网

锚墩式主动防护网(见图1)的突出特点为：在防护网节点处采用垫墩预应力锚索代替普通主动网结构中的短锚杆，形成锚-网组合结构，以实现二者联合对边坡浅表层和深层进行有效加固[11-12]。

图1 锚墩式主动防护网平面结构

锚-网组合结构为防止锚固节点处主动防护网中的支撑绳因受力产生切割破坏，在锚墩与坡面之间单独设立双层硬橡胶垫片或尼龙垫片，如图2所示。支撑绳从垫片之间穿过，在防护网受力时，具有足够变形空间，使锚-网结构联合加固边坡时，可变形协调、协同受力[12]。

图2 锚墩与主动网接触处示意

2 三维数值模拟的定义

为了研究锚墩式主动防护网加固边坡的防护效果，在相同条件下采用有限差分软件FLAC3D，同时建立传统预应力锚索加固边坡的对照组模型，进行边坡加固后的防护效果对比分析。

2.1 边坡模型与计算参数

表1 岩土体物理力学参数名称弹性模量/MPa泊松比重度r/(kN·m-3)黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)碎石土800.2518(19.5)20(18)34(33)变质砂岩7500.3024(26)40(38)45(44)挡土墙25 5000.2024-- 注: 括号外为天然工况参数,括号内为暴雨工况参数。

(a)边坡模型边界

(b)地震波加速度时程曲线图3 典型高陡边坡工点模型

2.2 边坡加固防护数值模型

锚墩式主动防护网和预应力锚索的加固边坡防护数值模型分别如图4(a)、图4(b)所示。图4(a)中模型采用cable和liner单元对预应力锚索和主动防护网进行数值模拟，单元之间设置为固定连接，连接形式为node-node连接；图4(b)中模型采用cable单元对预应力锚索加固边坡进行数值模拟，无liner单元。结合潜在滑裂面位置，预应力锚索长度均取20 m(锚固段8 m，自由段12 m)，坡面间距为4 m×4 m，垫墩接触面大小为0.5 m×0.5 m，钻孔φ130 mm。单根预应力锚索采用6束φS15.24低松弛钢绞线(1 860 MPa级)构成。预应力锚索锚固参数以及衬砌单元主要力学参数分别见表2、表3。

(a)锚墩式主动防护网模型 (b)预应力锚索模型图4 不同边坡加固方式数值模型

表2 预应力锚索锚固参数参数类别水泥浆外圈周长/m水泥浆刚度/Pa水泥浆黏聚力/(N·m-1)锚固段0.412×10710×105自由段0.4111

表3 衬砌单元力学参数泊松比法向刚度/(N·m-3)切向刚度/(N·m-3)厚度/m弹性模量/GPa0.28×1088×1080.005200

3 数值模拟结果及对比分析

对照组在3种不同的工况下进行防护效果对比分析，文中数值模拟编号Ⅰ-1型、Ⅰ-2型、Ⅰ-3型分别代表锚墩式主动防护网(Ⅰ型)在正常、暴雨、地震等3工况下的数值模型。预应力锚索(Ⅱ型)类同。

3.1 边坡加固后变形对比分析

3.1.1水平位移云图对比分析

图5为3种工况下分别采用锚墩式主动防护网(Ⅰ型)和预应力锚索(Ⅱ型)加固边坡后的水平位移云图。边坡加固后最大水平位移值及出现部位如表4所示。

(a)Ⅰ-1型

(b)Ⅱ-1型

(c)Ⅰ-2型

(d)Ⅱ-2型

(e)Ⅰ-3型

(f)Ⅱ-3型图5 3种工况下2种边坡加固水平位移等值线(单位：m)

表4 最大水平位移对比工况类型最大水平位移/cm出现部位Ⅰ-1型0.66边坡中下部Ⅱ-1型1.33Ⅰ-2型2.17边坡底部Ⅱ-2型3.25Ⅰ-3型1.39边坡底部Ⅱ-3型2.22

3.1.2坡面水平位移分布分析

3种工况下分别采用锚墩式主动防护网(Ⅰ型)和预应力锚索(Ⅱ型)加固边坡后的坡面边坡水平位移对比如图6所示。3种工况下锚墩式主动防护网加固边坡坡面水平位移更小，符合规范要求，加固效果均强于仅使用预应力锚索支护边坡。

图6 3种工况下2种加固方式坡面水平位移分布

3.1.3边坡总位移云图分析

图7为3种工况下分别采用锚墩式主动防护网(Ⅰ型)和预应力锚索(Ⅱ型)加固边坡后的总位移云图。边坡加固后最大总位移值及出现部位如表5所示。

(a)Ⅰ-1型

(b)Ⅱ-1型

(c)Ⅰ-2型

(d)Ⅱ-2型

(e)Ⅰ-3型

(f)Ⅱ-3型图7 3种工况下2种边坡加固总位移等值线(单位：m)

表5 总位移对比工况类型最大总位移/cm出现部位Ⅰ-1型1.02边坡中下部Ⅱ-1型2.18Ⅰ-2型2.58边坡底部Ⅱ-2型4.47Ⅰ-3型1.94边坡底部Ⅱ-3型3.33

其中锚墩式主动防护网加固后，边坡的最大总位移明显小于预应力锚索加固后边坡的最大总位移值。由此可知，添加高强度主动防护网后，在边坡防护整体安全性上，锚墩式主动防护网更具有优势。

3.2 边坡加固后剪应变增量对比分析

图8为3种工况下分别采用锚墩式主动防护网(Ⅰ型)和预应力锚索(Ⅱ型)加固边坡后的剪应变增量分布云图。边坡加固后剪应变增量情况表6所示。3种工况下，Ⅰ型和Ⅱ型两种加固方式中预应力锚索稳固边坡上部滑体，使得剪应变增量均未贯通，这表明边坡均未遭到破坏。但3种工况下Ⅰ型边坡剪应变增量均小于Ⅱ型边坡剪应变增量，这表明3种工况下，锚墩式主动防护网均比预应力锚索加固路堑边坡安全性更好，更难发生剪切破坏。

(d)Ⅱ-2型

(e)Ⅰ-3型

(f)Ⅱ-3型图8 3种工况下2种边坡加固剪应变增量等值线

表6 剪应变增量对比工况类型剪应变增量增量对比Ⅰ-1型未贯通Ⅰ-1型<Ⅱ-1型Ⅱ-1型Ⅰ-2型未贯通Ⅰ-2型<Ⅱ-2型Ⅱ-2型Ⅰ-3型未贯通Ⅰ-3型<Ⅱ-3型Ⅱ-3型

3.3 边坡加固后应力对比分析

正常工况下天然挖方边坡与分别采用锚墩式主动防护网(Ⅰ型)和预应力锚索(Ⅱ型)加固边坡主应力等值线如图9所示。由图9最大主应力分布可知，边坡最大主应力为压应力，加固边坡后其压应力增大，特别是锚索锚固处压应力明显大于其他部位。天然边坡坡面最大主应力为3.8 kPa，Ⅰ-1型边坡坡面最大主应力为4.3 kPa，Ⅱ-1型边坡坡面最大主应力为4.1 kPa。对比表明，Ⅰ-1型加固边坡最大主应力大于Ⅱ-1型，且其压应力分布较Ⅱ-1型加固边坡更加均匀。

(a)Ⅰ-1型最大主应力

(b)Ⅱ-1型最大主应力

(c)Ⅰ-1型最小主应力

(d)Ⅱ-1型最小主应力图9 天然工况下2种边坡加固主应力等值线(单位：Pa)

天然边坡坡面最小主应力为4.11 kPa，Ⅰ-1型边坡坡面最小主应力为5.41 kPa，Ⅱ-1型边坡坡面最小主应力为0.51 kPa。对比表明，Ⅰ-1型加固边坡最小主应力大于Ⅱ-1型，且其压应力分布较Ⅱ-1型加固边坡更加均匀。

综合上述对比分析可知，采用预应力锚索对边坡进行深层加固，可改善挖方边坡中岩土体的应力状态，提升边坡稳定性与安全性。但锚-网结合的锚墩式主动防护网(Ⅰ型)相比传统预应力锚索(Ⅱ型)，可同时实现边坡深层及浅表层加固，有效降低高陡岩质边坡后期风化、剥落破坏风险，提高道路运营安全。值得注意的是，由于浅表层岩土体失稳会对主动防护网产生下滑作用力，并传递给对应节点处的预应力锚索，使预应力锚索受力超过深层加固边坡的设计值，因此工程设计中预应力锚索锁定值应充分考虑这一点。

3.4 安全系数计算结果对比分析

将FLAC3D计算出来的边坡安全系数整理后得到加固前后边坡安全系数柱状图，如图10所示。

图10 治理前后边坡安全系数

从图10可以发现，采用两种加固方式治理边坡后，边坡稳定性均有了不同程度提升，但采用锚墩式主动防护网(Ⅰ型)相较于传统预应力锚索(Ⅱ型)加固边坡，对边坡的安全系数提升幅度更加显著。

4 经济安全与社会效益比较

现有工程实践中多采用含短锚杆的主动防护网(Ⅲ型)对边坡浅表层进行防护，这实际上是一种分离式的“预应力锚索(Ⅱ型)+主动防护网(Ⅲ型)”对边坡深层和浅表层进行加固防护。对坡面防护单元(4 m×4 m)采用两种防护措施进行比较，其中主要工程量对比如表7所示。

表7 边坡加固防护措施主要工程量对比工程防护措施措施内容预应力锚索水泥锚墩尺寸双层橡胶垫片(层厚3 cm)主动防护网网格单元4 m×4 m25 mm砂浆锚杆措施1锚墩式主动防护网(Ⅰ型)0.35 m2-1根20 m长的6束ϕs615.24锚索0.5 m×0.5 m高强度钢绳网16 m2+横向支撑绳ϕ16 mm×4 m(长)+纵向支撑绳ϕ12 mm×4 m(长)+缝合绳ϕ8 mm×12 m(长)措施2预应力锚索(Ⅱ型)+主动防护网(Ⅲ型)-1根4 m长锚杆+50 mm钻孔4.2 m+水泥砂浆

由表7可知，二者的不同之处在于：措施1中需增设双层橡胶垫片，措施2中需增设1根4 m长的25 mm砂浆锚杆。经济安全与社会效益对比：措施1中橡胶垫片耗材费用低，施工安装方便、快捷；措施2中锚杆钢筋耗材费用高，还需在坡面进行机械钻孔和注浆，工序繁杂且不利于生态环保；措施1锚-网组合结构中的预应力锚索相比措施2主动防护网(Ⅲ型)结构中的普通砂浆短锚杆，能对坡面主动防护网网格单元提供更有效的约束锚固力，能防止网格单元节点处的锚固构件出现“拉脱现象”，可大幅提高坡面防护的安全度。以上对比分析表明：锚墩式主动防护网结构加固边坡具有明显的经济安全和社会效益优势。

5 结论

本文以西南山区省道S216线K46处高边坡为依托，建立数值分析模型，分别对锚墩式主动防护网和传统预应力锚索加固边坡的位移、应变、应力分布及安全系数进行对比分析，得出如下结论：

1)3种工况下加固边坡，在水平位移、总位移及剪应变增量方面，锚墩式主动防护网结构均小于传统预应力锚索加固结构；前者有更优的位移场和应变场，具有明显的边坡防护优势。

2)3种工况下加固边坡，在最大主应力、最小主应力方面，锚墩式主动防护网结构均大于传统预应力锚索加固结构；前者预应力锚索充分发挥锚固作用力，具有更合理的应力场。

3)锚墩式主动防护网相比预应力锚索加固边坡，在暴雨工况、地震工况下边坡安全系数差值明显大于正常工况差值，锚墩式主动防护网在暴雨工况及抗震性能方面具有明显的优势。

4)锚墩式主动防护网中预张拉的高强度柔性网单元，通过节点处的预应力锚索对坡面施加压应力，可有效地限制边坡浅表层岩土体滑移，有效降低坡面地质灾害的影响，保证边坡的整体安全。对比传统边坡加固防护措施，锚墩式主动防护网结构还具有明显的经济安全与社会效益优势。