锚杆与抗滑桩在高速公路高边坡加固中的应用效果比选分析

王素群，陈泽华

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 长沙　410004)



锚杆与抗滑桩在高速公路高边坡加固中的应用效果比选分析

王素群，陈泽华

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 长沙410004)

摘要：根据M高速公路工程，分别对锚杆加固和抗滑加固高边坡支护效应和数值分析进行了探讨，从加固效果和经济效益分析了两者的加固效果的对比。

关键词：锚杆加固；抗滑加固；高边坡

1工程概况

依据M地区的地质状况和地貌特征，以M高速公路为依托，对高度大于10 m的岩质边坡逐一翔实排查，详细的给予评价和分析。M高速公路沿线高度大于10 m岩质边坡共有46处。沿线边坡中，岩层节理呈陡倾斜交、陡倾顺层、缓倾斜交、缓倾顺层产状的数量相对较多，比例分别占到调查总数的 19%、15%、17%、17%；岩层节理呈斜交、陡倾切层产状的数量相对居中，比例分别占到 11%、7%；节理呈陡倾、陡倾反倾、缓倾切层、反倾、顺层产状的数量相对最小，比例分别为 2%、4%、2%、4%、2%。根据调查的数据得出M地区边坡大部分比较陡，产状呈斜交、顺层产状的边坡较多。

2锚杆加固高边坡支护效应和数值分析研究

2.1锚杆支护效应分析

对于含软弱夹层的边坡，当其潜在的红层滑移面的下滑力超过岩体层间自身的抗滑力时，软弱夹层及其以上部分岩体将会沿着滑动面发生剪切和滑移。在整块岩土体中，滑移多发生在节理裂隙发育的软弱夹层。而为了使其具有良好的稳定性，一般情况下采用的方法是通过大规模的削坡减载而达到能够保持较好稳定性的边坡坡角，然后再设置挡墙等支挡结构。但一般只采用单一的削坡减载或设置支挡结构物通常情况下是不经济或达不到期望的加固效果的，这种情形下可以尝试采用锚杆(索)加固。含有红层的边坡模型安全系数较低，部分状况的安全系数已低于1，自重就足以导致失稳，并且地震作用下软岩至坡面部分的坡体定会产生滑动且伴随较大的位移，这说明大多数含软弱夹层的边坡依靠自身不能维持稳定，滑动破坏的危险很大，因此必须对其薄弱部位进行锚索加固。

Midas/GTS 中锚索采用几何和材料两方面的参数来确定。预应力锚索设定为两节点之间具有截面面积及材料特性的直线段，两节点分别为自由端和锚固端。锚固端用梁单元模拟，考虑其锚固作用；自由端用桁架单元模拟，由于自由端主要是两端受力，因此桁架单元只需一个单元，预应力加在桁架单元上，取拉应力为负，压应力为正。

2.2锚杆加固数值分析

预应力锚杆的选取一般应考虑以下五个方面：杆件的几何和材料参数、施加的预应力大小、杆件长度、布设间距以及锚固角度的选择。

通过自重应力作用下的安全系数、地震荷载下的位移峰值和锚索内力等3个方面的对比分析，来判断施作锚索前后含红层软岩边坡的稳定性，进而推出锚索的支护效果。

(1)安全系数

通过分析计算可知，得到加固后M区含红层的边坡在自重应力作用下的安全系数为 1.52，而未施加锚索的安全系数为 1.04。对比分析可得，安全系数在锚索加固之后能明显提高，稳定性得到显著增强，可以达到工程加固的目的。

(2)地震力作用下的位移

图1中的 a 和 b 分别为施作锚索前后边坡水平方向的位移云图。

图 a　未加固的位移云图　　图 b　加固后的位移云图图1　加固前后水平向位移图

从图1中得出，施作锚索后红层至坡面的最大位移带和水平位移峰值都显著减少；施作锚索前边坡水平向位移峰值为 1.00 cm，施作锚索加固后位移峰值减少到0.54 cm。

图2中的a和b分别为施作锚索前后边坡竖直向的位移云图。

图 a　未加固的位移云图　　图 b　加固后的位移云图图2　加固前后竖直向位移图

从图2中可以看出，加固后与无加固措施时对比，锚索限制了边坡的横向位移发展，红层至坡面的位移峰值也相对减少；无加固措施时红层至坡面的滑体位移大都处于0.63～1.11 cm 内，施作锚索后位移减少到0.32～0.84 cm，峰值从1.11 cm减小至0.84 cm，并且可以明显的得到加固后地震波输出的能量值不会造成坡体发生滑移，能量向边坡下部消散和转移，破坏区域向也随之下部转移和发展，所以锚索支护效果相当的明显。

(3)锚索内力分析

锚索锚固端轴力越靠近坡体内部越大，基本呈线性梯度增加，其中最大值为 42.2 kN。

根据以上三方面的数据综合分析，施作锚索可以锁住含红层软岩夹层边坡的下滑趋势，安全系数得到明显提高，位移峰值和滑动面受地震作用的影响均明显减小。由此可见，施作锚索来加固边坡是有效的、合理的。

3抗滑桩加固高边坡支护效应和数值分析研究

3.1抗滑桩支护效应分析

在Midas/GTS 中抗滑桩结构单元是由几何力学参数、材料参数和接触特性共同定义的。同锚索类似，两节点间的一条直线段表示一个桩单元，桩单元构件具有一样的横截面参数。关于接触特性，除了具有梁单元的构件特性外，还提供了与实体单元法向与切向的摩擦作用，为比较常用的结构单元。

桩与岩体单元之间的作用是通过耦合弹簧来实现的。耦合弹簧为非线性、可滑动的连接体，能够在桩身节点和岩体单元节点之间传递力和弯矩。切向弹簧的作用和锚索的切向作用机理是相同的，法向弹簧可以模拟法向荷载的作用以及桩身与实体单元之间缝隙的形成，还可以模拟桩周土体对桩的挤压作用。

3.2抗滑桩支护数值分析

(1)安全系数

通过分析计算可知，加固后的抗滑桩含滇西红层边坡在自重应力作用下的安全系数为 1.68，而未加固时的安全系数为 1.04。对比分析可得，抗滑桩加固后边坡的安全系数显著提高，边坡的稳定性得到增加。

(2)地震力作用下的位移

对比分析易知，未采取加固措施的边坡产生了十分明显的位移带，水平方向位移峰值为1.00 cm，施加抗滑桩加固后位移峰值为0.89 cm；并且竖直方向未采取加固措施时位移峰值为1.11 cm，施加加固措施抗滑桩后峰值减小到0.93 cm，且滑移带明显减少，破坏区明显减小，但位移峰值减小不明显；究其原因，最大位移位于坡顶面附近，而抗滑桩布置位置与坡顶面有一定的距离，抗滑桩阻止了滑坡体在水平地震力作用下的滑移，但对坡顶软弱面的加固效果不是很大。

(3)抗滑桩内力分析

从坡顶向下，第一根抗滑桩剪力明显大于第二根，桩的剪力呈梯形变化，越靠近红层夹层其剪力越大，且在临界处达到最大，峰值为586.5 kN。

4加固效果比选

4.1加固效果分析

(1)自重应力作用下的安全系数

计算得到未支护及不同支护方式下边坡的安全系数如表1。

表1　不同加固方式下的安全系数

通过自重应力下边坡的安全系数可知，通过锚索或抗滑桩加固都能增加边坡的稳定性，安全系数得到显著提升。与锚索相比，抗滑桩提供的抗力能更加有效地阻止滑坡体的下滑趋势，对维持自重下的稳定性，提高边坡安全系数方面效果比锚索显著。

(2)地震荷载作用下的位移变化

表2　不同支护措施下的位移峰值

从水平地震力作用下边坡的位移角度来对比分析，锚索加固后岩质边坡的位移明显减少，特别是边坡的水平位移，峰值有显著的下降。而抗滑桩对岩质边坡的加固效果不明显，虽然能有效减少滑移带，但位移峰值减小不大，原因在于抗滑桩的布置没有锚杆灵活，只能布置于坡度较平缓的滑坡体下部，布置在位移峰值区效果不乐观，并且抗滑桩施工方式对边坡的扰动较大，因此对含滇西红层夹层的岩质边坡的抗震稳定性加固效果不够好。所以在地震高发区，应多采用锚杆支护来提高岩质边坡的抗震稳定性。

4.2经济效益分析

通过采用交通部 2013 年颁布的公路工程预算定额基价计算，容易得到锚杆和抗滑桩的工程量。锚索与抗滑桩的费用计算如下。

锚索： 6 ×300+20.12×600+2.64×2 430+9.84×1 280=32 930.4元

抗滑桩： 49. 24× 1 280+44.8×600+9.18×2 430=112 214.6元

由工程量及费用的计算可知：所选模型施加六根锚索共计 32 930.4 元，施加两根16 m长的抗滑桩则需要近112 214.6 元。而从加固效果的对比得到，两种加固措施均能提高边坡的抗震稳定性，但从地震作用下的位移峰值角度来看，锚索的加固效果更好。因此无论从加固效果的角度还是经济性的角度来看，锚索都是更优的方法。

参考文献：

[1]胡聿贤.地震工程学[M].北京：地震出版社，2006.

[2]董建华，朱彦鹏，马巍.框架预应力锚杆边坡支护结构动力计算方法研究[J].工程力学，2013，30(5).

Comparison analysis on the effect of anchor and slide-resistant pileon strengthening expressway high slope

WANG Su-qun, CHEN Ze-hua

(Hunan Xiangzhu Engineering Co.,Ltd., Changsha,Hunan 410004,China)

Abstract:Based on the M expressway, the effect and numerical analysis of anchor strengthening and skid resistance strengthening on high slope are discussed. Thus the two kinds of strengthening effect are compared from strengthening and economic angle.

Keywords:anchor strengthening; skid resistance strengthening; high slope

中图分类号：U418.9

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)01-0007-03

作者简介：王素群(1981-)，女，湖南邵阳人，本科，研究方向：公路与桥梁施工控制与现场管理；陈泽华(1979-)，男，湖南长沙人，本科，研究方向：公路与桥梁施工控制与现场管理。

收稿日期：2015-10-02