[分享]高速公路边坡锚杆-放坡支护协调优化设计

炎汝高速公路边坡锚杆-放坡支护协调优化设计

冯 磊，李智武，杨仕教*

(南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001)

摘 要：炎汝高速公路桂东连接线段LK0+200～LK0+300右侧山体边坡出现了滑坡灾害，拟采用锚杆-放坡组合支护治理方案.为实现治理方案优化设计，根据协调锚杆长度L与放坡坡度i，推荐了42组支护方案，利用数值模拟软件对各方案进行边坡建模分析计算，获得边坡稳定安全系数、边坡剪切力应变随锚杆长度和边坡坡度的变化规律.通过施工治理成本最小化原则分析，最终给出了锚杆长度9.5 m、坡度44°的优化方案，为治理炎汝高速公路路段失稳边坡提供借鉴.

关键词：滑坡治理；锚杆-放坡支护；协调优化；数值模拟

我国地域辽阔，工程地质复杂，人类活动对地质造成了影响，滑坡在我国已成为常见的地质灾害[1].对于高边坡滑坡灾害的治理，锚杆-放坡组合支护措施发挥出很好的加固防护作用，锚杆-放坡组合结构具有自重轻、加固边坡不稳定土体增加边坡体抗滑性、减少边坡表层荷载[2]降低滑动力等特性，对于治理高陡边坡土体松散引起的滑坡灾害，是一种简单实用的支护结构.

国内对于边坡防治措施研究主要成果集中在单一支护措施的加固机制研究，如：抗滑桩的结构形式[3]、锚索加固机制[4]等研究.然而不同加固措施之间的作用是相互的，研究并利用多种加固措施的协调性关系，调节支护措施分布形态或支护参数，可达到边坡加固性能上升和经济环保的灾害治理目标.

随着边坡工程规模逐渐扩大，在边坡治理措施发展中，组合支护结构设计面临着需要考虑更多因素影响边坡加固性能[5]，在锚杆-放坡组合结构中对于锚杆长度、间距、倾角和分布位置[6-8]，边坡放坡坡度和高度都会对边坡的加固有影响[9].在设计中通常采用强度折减法对锚杆的轴向拉力[10]设计计算，对于边坡潜在滑裂面的深度和位置选择锚杆的长度与倾角[11]，在实际工程中，通过试验与反算联合确定土体粘聚力C和内摩擦角φ，以不平衡推力方法[12]计算出边坡下滑力与剩余下滑力作参考，并结合工程经验对锚杆分布位置和放坡坡度进行设计.

林兴超[13]等人利用FLAC 3D数值模拟软件对预应力锚固与抗剪洞两种加固措施独立及不同组合下的协调，分析组合支护在边坡加固分担机制，并对案例边坡加固措施优化设计.本文采用类似研究方法结合炎汝高速公路边坡工程案列，利用Midas Gts NX 数值模拟软件研究锚杆-放坡组合支护参数(锚杆长度L，每级边坡坡度i)对边坡稳定性与边坡应力应变的影响，研究结果可为炎汝高速路段边坡设计经济合理治理方案提供经验和借鉴.

炎汝高速公路是炎陵至汝城的重要交通干道，公路连接线LK0+200～300段右侧边坡严重失稳，边坡体相对高差为87 m，表层土体为强风化细砂岩与全风化花岗岩，边坡现状坡角为42°～47°，经现场勘察与边坡稳定性计算，天然工况下边坡处于滑动状态.结合该边坡的工程地质特性与坡体的破坏特征采用锚杆-放坡的组合支护为主要治理手段，对坡体中上部进行放坡卸载，分级放坡高度为10 m，每级坡角为45°，每级坡顶设立2 m平台，边坡中部采用格构锚杆挡墙.离公路十米位置处设有抗滑桩作为辅助治理措施防止深层滑坡，尺寸为3 m×4 m，深度15 m.

本文利用Midas GTS NX数值模拟软件对边坡进行建立模型和边坡稳定性分析.

根据边坡实际工况选取边坡滑动带最长，高度相差最大的危险截面作为模拟分析对象.该模型选取摩尔-库伦塑性模型作为边坡模拟的本构模型，确定模型的尺寸为160 m×112 m，边坡分七级放坡，每级边坡高10 m.第二级至五级设有锚杆，锚杆密度4 m×3 m，每级边坡设有四根锚杆(图1所示).

图1 锚杆-放坡组合支护边坡模型

Fig.1 Bolt and grading support of slope model

该边坡模型计算考虑四个土层，分别为强风化细砂岩、中风化细砂岩、全风化花岗岩、强风化花岗岩.其中中风化细砂岩为中上部的地下土层，间距取1；强风化花岗岩为底部土层，间距为1.5；强风化细砂岩和全风化花岗岩为边坡表部土层，应重视土层的应力应变分析，网格间距取0.5.同理，锚杆的间距取0.5.

综合边坡土体室内土工试验及工程经验，该边坡模型计算土层物理力学参数见(见表1)与支护结构材料参数(见表2).

表1 土层参数

Table 1 Soil parameters

表2 支护材料参数

Table 2 Support material parameters

施工工况定义为天然状态.施工阶段分初始阶段和边坡加固，在边坡初始阶段中未添加锚杆和抗滑桩单元，对边坡进行位移清零，边坡加固阶段是对添加锚杆和抗滑桩单元后进行边坡稳定(SRM)模块计算.

锚杆-放坡组合结构支护中，锚杆支护会使边坡的不稳定土体、抗滑性能较弱土体连接一起，增加边坡的抗滑力；放坡能减少边坡荷载，减小边坡土体的滑动力.边坡稳定性系数是抗滑力与滑动力之比，加大边坡抗滑力和减小土体滑动力都能达到稳定边坡目的.

通过改变每级边坡坡度i与锚杆长度L对边坡稳定性影响做分析，以《公路路基设计规范》中在正常工况下高速公路路堑边坡的稳定安全系数限值取1.25，用安全稳定性系数限值作为边坡支护方案的筛选约束.

根据该边坡勘探资料，滑裂面最小深度为8.5 m，最大深度为11.5 m，对边坡锚杆支护长度参数设定为9～12 m，为了方便计算以0.5 m间距选择锚杆长度参数.锚杆长度分9、9.5、10、10.5、11、11.5、12 m七个级别.

坡度参数由《公路桥涵施工技术规范》中得出砂类土在坡顶无荷载的工况下，坡度为1∶1，即坡角为45°.在滑坡后自然状态下，边坡的各级边坡坡度为42°～47°，炎汝高速公路边坡众多，该滑坡边坡旁的稳定山体，工程地质相似，根据其他山体边坡坡角的均值来作为参考，边坡坡度参数的选择以1°为间距，分别为42°、43°、44°、45°、46°、47°.

现拟定有七个锚杆长度参数，每级边坡坡角分六个等级.调节这两个参数，分析对边坡的稳定性影响和边坡应力分布变化.

利用数值模拟软件对边坡模型进行锚杆长度与每级边坡坡度两个支护参数协调后计算得到各边坡模型稳定性系数(见表3).

表3 边坡稳定系数

Table 3 Slope stability coefficient

从图2可知，随边坡坡度加大，导致边坡下滑力增大，边坡稳定性下降，稳定性系数和坡度成反比.在相同坡度下，由边坡锚杆长度从9 m至10.5 m变化，边坡稳定性系数显著上升，说明锚杆长度加大会促进边坡的加固.在锚杆长度从10.5 m到12 m变化，稳定性系数的增量减小，其中11 m的锚杆在不同坡度的边坡上加固效果与锚杆长度11.5 m几乎一致.当锚杆达到一定长度时，锚杆长度增加使上部坡体的承载力加大，边坡的加固作用效果不明显.

根据数值模拟边坡稳定性结果，在满足边坡稳定性系数规范限值1.25，且边坡稳定性系数与原支护方案相近的要求下，选取了四组参数，分别设定为方案一(L=9.5 m，i=44°)、方案二(L=10 m，i=45°)、方案三(L=10.5 m，i=46°)、方案四(L=11 m，i=47°).对边坡内剪应力大小及分布进行方案比选.在边坡底部坡角设定一点为A，A是边坡发生滑坡灾害最可能出现的剪出口，在边坡剪应力云图中A点的剪应力数值最大.

图2 边坡稳定系数曲线图

Fig.2 Slope stability coefficient curve

方案一(L=9.5 m，i=44°)的边坡稳定性系数Fs=1.254，82.0%的边坡土体为基本稳定状态，在三级坡的坡顶有剪入口，滑裂面的最大深度14 m(如图3所示)，坡角为潜在滑动面的剪出口，坡角A的剪应力数值为3.35×10-2(kN).

图3 方案一剪应力云图

Fig.3 Programme one Shear stress cloud map

方案二(L=10 m，i=45°)的边坡稳定性系数Fs=1.255，与方案一相比锚杆长度和坡度都有增大，三级坡坡顶的剪入口不明显，潜在滑裂面的深度也有增加，但滑裂面厚度有所减小，其中83.1%的边坡土体为基本稳定状态(如图4所示)，剪应力的数值减小，坡角A剪应力数值为1.215 9×10-2(kN).

边坡在方案三(L=10.5 m，i=46°)的支护下，边坡内剪应力明显减小，由于方案三的锚杆长度比方案一、二长，对贯穿滑动面和加固边坡不稳定土体效果更好，这是剪应力减小的主要原因.在坡角最大剪应力处A为2.362×10-4(kN)，潜在滑裂面的厚度加大，由图5可知剪应力的分布没有方案一、二集中.在边坡中上部强风化砂岩与中风化砂岩交界处，有少许滑动的趋势.

图4 方案二剪应力云图

Fig.4 Programme two Shear stress cloud map

图5 方案三剪应力云图

Fig.5 Programme three Shear stress cloud map

方案四(L=11 m，i=47°)边坡数值模型中，由于边坡坡度较大，坡面荷载大，导致滑裂面的厚度较大，深度最大为25 m，且在坡角的抗滑桩未贯穿潜在滑动面，整个边坡模型中25.5%的土体有滑动趋势，剪应力在四个方案中分布最广(如图6所示)，坡角A的剪应力数值为2.708 6×10-2(kN).边坡中上部也有明显的剪应力分布，有滑动趋势.

从四种边坡方案数值模型最大剪应力云图看出，在极限状态下，随着边坡坡度增大，潜在滑裂面厚度和深度有所增加，边坡剪应力开始分散，剪应力的数值开始减小，在坡度达到47°时，大范围的边坡土体有滑动趋势，对边坡的加固不利.在方案三中边坡内最大剪切应力值较小.通过边坡内剪应力的分布并结合A点剪应力数值相比,说明在稳定系数相差不大的情况下，边坡在方案三的加固下滑动趋势最小，稳定性最好.

图6 方案四剪应力云图

Fig.6 Programme four Shear stress cloud map

锚杆-放坡组合支护的主要工程项目为锚杆制安与放坡清方，其他包括格构梁、边坡绿化植被，截水渠沟等施工，本文主要对锚杆-放坡组合支护施工的经济性比较，其他施工项目设定费用基本相等.

结合当地施工现场价格调查，包含人工费与机械费的综合价格：Φ32锚杆制安为300元/m、小松220-8挖机台时费为290元/h、清理土方装运为55元/m3.根据筛选出的四种方案，针对锚杆-放坡组合支护结构施工主要工程项目工程量和费用估算如表4.

由于方案一、二中坡度缓，边坡中上部的土方需要清理至滑坡凹陷处并夯实，挖机台班包括对坡体的修整和土方的挖运.

表4 主要工程量和费用估算Table 4 Main engineering quantity and cost estimation

从表4知，方案一、方案二、方案三、方案四中锚杆-放坡组合支护的主要工程项目费用依次为154.23×104元、167.18×104元、175.90×104元、194.31×104元.在满足工程规范要求，且对边坡的治理后稳定性系数相近的前提下，方案一的费用最低，经济性最好.

1)利用数值模拟软件对边坡建模分析计算，其中随着锚杆长度L增加，边坡稳定性越好，与稳定性成正比.当L增加至10.5 m之后，对边坡稳定加固效果不明显.

2)每级放坡坡度i的增加使边坡稳定性系数降低，并根据边坡剪切力应变的变化，分析得随着坡度的加大，边坡剪切力从集中到分散，剪切力数值变小后增大.

3)通过对各方案的锚杆-放坡组合支护主要工程项目经济性分析比对，锚杆长度L=9.5、每级坡度i=44°的治理成本最低，该方案满足规范要求，为最优治理方案.

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Coordination Optimization Design of Bolt and Grading Support for Slope of Yanru Expressway

FENG Lei,LI Zhiwu,YANG Shijiao*

(School of Resource & Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)

Abstract：Landslide disasters have occurred on the slope of the right side of LK0+200～LK0+300 in the Yanru Expressway,and it is proposed to use a combination of anchor and sloping support.In order to optimize the design of the treatment plan,based on the coordination of the length L of the anchor bar and the slope gradient i,42 groups of support schemes are recommended.This paper uses numerical simulation software to perform slope modeling and analysis calculations on each program to obtain a stable safety factor for the slope.Slope shear force strain changes with length of anchor rod and slope of slope.Based on the analysis of the principle of minimization of construction management costs,an optimization plan for the length of the anchor rod of 9.5 m and the slope of 44° is given,which provides reference for controlling the unstable slope of the Yanru Expressway section.

key words：landslide management;bolt and grading support;coordination optimization;numerical simulation

来源于： 南华大学学报自然科学版