顺层岩质边坡稳定性研究及支护结构优化设计

邱慧 吕振雷

收稿日期：2024-01-17

作者简介：邱慧（1992—），女，硕士研究生，工程师，研究方向：交通工程。

摘要 为研究顺层岩质边坡稳定性及支护结构优化，文章以某顺层岩质边坡为研究对象，基于ABAQUS有限元软件，分析了开挖过程中坡脚水平位移、竖向位移及边坡安全系数的变化规律，比较边坡锚杆支护时机对安全系数的影响，最后分析不同锚杆长度、锚杆倾角条件下，边坡安全系数的变化规律。研究结果表明：（1）随着边坡的开挖，坡脚处水平位移、竖向位移均在不断增大；坡脚水平位移曲线斜率在逐渐增大，坡脚竖向位移曲线斜率在逐渐减小；（2）锚杆长度对边坡安全系数的增大效果为先增大后减小；（3）锚杆倾角对边坡安全系数的减小效果呈“M”形。

关键词 顺层岩质边坡；稳定性；支护结构优化；数值模拟

中图分类号 TU472文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0098-03

0 引言

已有研究表明顺层滑坡作为最为常见的滑坡类型，对附近基础交通设施、结构、人民群众等存在极大的安全隐患[1]。实际工程中常使用经济、有效的锚杆加固方案，但锚固顺序、锚杆参数等均对锚固效果存在较大影响[2]。因此，亟须开展顺层岩质边坡稳定性及锚杆支护效果的研究。

目前，国内外学者分别从不同角度对顺层岩质边坡稳定性及锚杆支护效果进行了一系列研究，王发玲等[3]基于弹性力学及结构力学，研究了边坡岩体及锚杆的相互作用及加固机制，并提出了新的锚杆加固顺层边坡的力学模型；王伟等[4]基于FLAC3D有限元软件，研究了锚杆长度、锚固倾角和注浆体黏结强度对顺层岩质高边坡稳定性的影响；龚文惠等[5]基于ANSYS软件，分析了锚杆支护前后顺层岩体边坡内部应力、变形、稳定性等的变化规律。综上所述，顺层岩质边坡稳定性较差，需对其进行加固治理；锚杆作为常见的边坡支护措施，具有经济、简便等优点，但锚杆长度、倾角等会影响支护效果。

鉴于此，该文以某顺层岩质边坡为研究对象，基于ABAQUS有限元软件，分析开挖过程中坡脚水平位移、竖向位移及边坡安全系数的变化规律，比较边坡锚杆支护时机对安全系数的影响，最后分析不同锚杆长度、锚杆倾角条件下，边坡安全系数的变化规律。

1 工程概况

某顺层岩质边坡岩石主要为第四系和前寒武系地层，7—9月份降雨较多。该边坡为顺层边坡，中间存在一条软弱夹层，易发生滑坡。项目拟设置6级边坡，并用锚杆进行加固。

2 数值模型的建立

该文以某顺层岩质边坡为研究对象，基于ABAQUS有限元软件，建立数值模型，如图1所示：

图1 ABAQUS边坡数值模型

由图1可知，模型高为120 m，下底面宽为350 m，上顶面宽为150 m，距坡脚100 m。边坡分六级开挖，开挖顺序、坡率、坡高分别为：开挖6级边坡，坡率为1∶1.5，坡高为10 m；开挖5级边坡，坡率为1∶1.5，坡高为10 m；开挖4级边坡，坡率为1∶1，坡高为10 m；开挖3级边坡，坡率为1∶1，坡高为10 m；开挖2级边坡，坡率为1∶0.75，坡高为10 m；开挖1级边坡，坡率为1∶0.75，坡高为10 m。锚杆直径为28 mm，长为24 m，锚固倾角为25 °，锚杆间距为2.5 m。软弱夹层厚为1 m，软件采用强度折减法计算边坡安全系数。模型结构的具体参数如表1所示：

表1 模型结构参数

结构 弹性模量/

MPa 泊松比 容重/

（kN/m3） 黏聚力/

kPa 摩擦角/°

岩体 3 000 0.3 25 500 30

软弱夹层 1 000 0.35 15 50 20

锚杆 200 000 0.25 80 — —

3 结果分析

3.1 边坡开挖分析

边坡分级开挖过程中，边坡坡脚的位移变化如图2所示：

图2 边坡开挖过程中坡脚位移变化图

由图2可知，随着边坡的开挖，坡脚处水平位移、竖向位移均在不断增大；坡脚水平位移的曲线斜率在逐渐增大，坡脚竖向位移的曲线斜率在逐渐减小。开挖过程中，坡脚处水平位移变化分别为：31.25%（5级边坡开挖后）＜71.43%（4级边坡开挖后）＜86.11%（3级边坡开挖后）＜170.15%（2级边坡开挖后）＜300.55%（1级边坡开挖后）。坡脚处竖向的位移变化分别为：118.92%（5级边坡开挖后）＞43.62%（4级边坡开挖后）＞23.5%（3级边坡开挖后）＞13.46%（2级边坡开挖后）＞10.84%（1级边坡开挖后）。在开挖到2级边坡前，坡脚处竖向位移远大于坡脚水平位移，每级边坡开挖后竖向位移分别是水平位移的6.94倍（6级边坡）、11.57倍（5级边坡）、9.7倍（4级边坡）、6.46倍（3级边坡）、2.7倍（2级边坡）。1级边坡开挖后，坡脚水平位移是坡脚竖向位移的1.34倍。

边坡开挖过程中，每级边坡对应下的边坡安全系数如图3所示。

由图3可知，边坡安全系数先增大后减小。6级边坡开挖后，边坡安全系数为1.25；4级边坡开挖后，边坡安全系数增大到1.39，較6级边坡开挖后边坡安全系数增大了11.2%；1级边坡开挖后，边坡安全系数减小到0.99，较4级边坡开挖后边坡安全系数减小了28.78%，可能与4级边坡的坡率从1∶1.5变大为1∶1有关。

3.2 边坡开挖锚固方案比选

已知在边坡后期开挖过程中，边坡安全系数的不断减小，故需对边坡进行加固。该文设置了4种加固方案：方案1（开挖完六级边坡后再锚固）、方案2（开挖三级边坡，锚固三级边坡）、方案3（开挖二级边坡，锚固二级边坡）、方案4（开挖完一级边坡，锚固一级边坡）。4种锚固方案与不进行锚固的边坡安全系数如图4所示。

图3 边坡开挖过程中边坡安全系数变化图

图4 不同锚固方案边坡安全系数变化图

由图4可知，方案1的边坡安全系数与开挖不锚固基本吻合。在开挖完1级边坡后，开挖不锚固方案的边坡安全系数为0.99；而方案1的边坡安全系数从1.22增大到1.382，增大了13.28%，较不锚固增大了39.6%。

方案2在5、6级边坡开挖后的边坡安全系数与开挖不锚固、方案1吻合；从4级边坡开挖后，边坡安全系数大于开挖不锚固、方案1，此时边坡安全系数分别为1.45（方案2）、1.39（开挖不锚固、方案1），增大了4.32%；而后开挖2、3级边坡，安全系数下降到1.32，较4级边坡锚固后减小了8.97%；开挖完1级边坡并锚固后，边坡安全系数增大到1.382，与方案2边坡安全系数一致，较开挖2级边坡后增大了4.7%。

方案3在开挖5级边坡并锚固后，边坡安全系数从1.24增大到1.39，增大了12.1%；而后开挖4级边坡不锚固，边坡安全系数增大到1.42，增大了2.16%，较方案2减小了2.07%，较方案1增大了2.16%；开挖3级边坡并锚固后，边坡安全系数增大到1.46，增大了2.82%，较方案2增大了5.04%，较方案1增大了8.15%，较开挖不锚固增大了8.15%；开挖2级边坡后，边坡安全系数减小到1.36，减小了6.85%，较方案2增大了3.03%，较方案1增大了11.48%；开挖1级边坡并锚固后，边坡安全系数增大到1.382。

方案4的边坡安全系数每一级边坡开挖后均为最大，从6级边坡开挖并锚固到3级边坡开挖并锚固，安全系数从1.28增大到1.46；从3级边坡开挖并锚固到1级边坡开挖并锚固，安全系数从1.46减小到1.382。整体而言，方案3较为经济、安全。

3.3 边坡开挖锚固方案优化

锚杆锚固效果与锚固长度、锚固倾角等均有关，为分析锚杆长度对边坡安全系数的影响，该文设置了5种长度梯度：16 m、18 m、20  m、22 m、24 m。边坡安全系数随锚固的长度变化如图5所示。

图5 锚固长度对边坡安全系数的影响

由图5可知，边坡安全系数随锚杆长度的增加在逐渐增大。边坡安全系数分别为1.55（锚杆长度为24 m）、1.52（锚杆长度为22 m）、1.44（锚杆长度为20 m）、1.28（锚杆长度为18 m）、1.16（锚杆长度为16 m）。较16 m相比，锚杆长度对边坡安全系数的增大效果分别为：5.17%/m（锚杆长度为18 m）、7%/m（锚杆长度为20 m）、5.17%/m（锚杆长度为22 m）、4.2%/m（锚杆长度为

24 m），说明锚杆长度对边坡安全系数的增大效果为先增大后减小。

锚杆倾角在工程中规定为15 °～35 °，故该文设置了5种倾角梯度：15 °、20 °、25 °、30 °、35 °。边坡安全系数随锚杆倾角的变化如图6所示。

由图6可知，边坡安全系数随锚杆倾角的增大在逐渐减小。边坡安全系数分别为1.64（锚杆倾角为15 °）、1.6（锚杆倾角为20 °）、1.55（锚杆倾角为25 °）、1.47（锚杆倾角为30 °）、1.36（锚杆倾角为35 °）。较倾角15 °相比，锚杆倾角对边坡安全系数的减小效果分别为：2.44%/5 °（锚杆倾角为20 °）、2.74%/5 °（锚杆倾角为25 °）、3.46%/5 °（锚杆倾角为30 °）、4.27%/m（锚杆倾角为35 °），说明锚杆倾角对边坡安全系数的减小效果呈“M”形。

图6 锚杆倾角对边坡安全系数的影响

4 结论

该文以某顺层岩质边坡为研究对象，基于ABAQUS有限元软件，分析开挖过程中坡脚水平位移、竖向位移及边坡安全系数变化规律；比较边坡锚杆支护时机对安全系数的影响；最后分析不同锚杆长度、锚杆倾角条件下，边坡安全系数的变化规律，得到以下主要结论：

（1）随着边坡的开挖，坡脚处水平位移、竖向位移均在不断增大；坡脚水平位移曲线斜率在逐渐增大，坡脚竖向位移曲线斜率在逐渐减小；边坡安全系数先增大后减小。

（2）随着边坡锚固的频繁，边坡安全系数呈上升趋势，其中边开挖边锚固的边坡安全系数最大。

（3）边坡安全系数随锚杆长度的增加在逐渐增大；锚杆长度对边坡安全系数的增大效果为先增大后减小。

（4）边坡安全系数随锚杆倾角的增大在逐渐减小；锚杆倾角对边坡安全系数的减小效果呈“M”形。

参考文献

[1]杨石磊， 郑帅恒， 刘思民， 等. 基于FLAC3D对秘鲁某边坡锚杆支护优化设计分析[J]. 中国水运， 2023（5）： 91-93.

[2]田俊. 某高边坡稳定性分析及支护方案研究[J]. 建筑安全， 2023（1）： 24-26+30.

[3]王發玲， 刘才华， 龚哲. 顺层岩质边坡锚杆支护机制研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2014（7）： 1465-1470.

[4]王伟， 冯忠居， 王诗超， 等. 锚固参数对顺层岩质高边坡稳定性敏感度分析[J]. 公路， 2023 （5）： 1-10.

[5]龚文惠， 刘涛， 黄燕宏. 顺层路堑边坡锚杆支护稳定性的有限元模拟分析[J]. 岩土力学， 2005（S2）： 136-140.