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摘要：为研究锚索在受荷载作用下对边坡应力应变的影响，利用有限差分软件FLAC3D，分析边坡开挖前后的边坡稳定性，并对预应力锚索锚固效应进行数值模拟研究。结果表明，预应力锚索优良的锚固性能可加强岩土介质的强度、提高岩土体的稳定性和承载力等，可在边坡加固工程中广泛应用。

关键词：边坡加固;锚索;锚固效应;有限差分法;FLAC3D

1.引言

在修建桥梁、公路和铁路等基础工程建设中，不可避免的会对边坡进行改造，特别在山区工程建设中，边坡稳定性问题愈发突出[1]，其中预应力锚索加固技术是被广泛认可和使用的一种边坡加固技术，但传统的拉力型锚索虽具有一定的防治效果，同时其防腐能力差抗滑力低也是地质问题中的一大隐患[2-4]。取而代之的是新出现的压力型锚索，独特的结构特点决定了其具有高承载力、持久和耐腐蚀等特点，但是也存在一些问题，理论研究不成熟，诸如锚索在荷载作用下的力学规律和压力型锚索在锚固段的受力状态等难以精确的描述。本文拟针对工程实际中预应力锚索对边坡的锚固作用进行数值分析计算，利用有限差分软件FLAC3D对预应力锚索进行数值模拟[3]，模拟边坡在开挖之前、开挖之后稳定性分析;通过数值计算，分析开挖之后边坡加固设计方案中预应力锚索的应力分布情况及其应变状况。

2.工程概况

黄登水电站坝，是云南省澜沧江古水（含库区）～苗尾规划河段的第五级水电站，子项目松坡吊桥为主跨210m的钢桁加劲梁悬索桥，全长243.43m;主缆中心距6m，行车道宽4.5m，垂跨比1/11，吊索间距4m，两岸锚碇采用岩锚，岩锚区表层分布有第四系坡、崩积物，堆积层厚度左岸5m-10m，右岸1m-10m，基岩岩性为变质玄武岩，无全风化岩体，岩石强度较坚硬，岩锚位于开挖的山体上，开挖形成岩质高边坡，会对岩坡的稳定和安全性产生影响，所以对其稳定性的研究具有重要意义。

3.FLAC3d边坡数值仿真计算分析

3.1模拟边坡在开挖之前的数值计算

建立计算模型时，斜坡地形条件、岩性分层要严格对应，最终建立的模型坐标为：X轴以水平向坡内为正，总长200m，Y轴沿着坡走向指向河段下游为正，厚20m，Z轴以垂直向上为正，Z方向120m，如图1：

采用的岩土体物理力学指标分别为：坡积物、强风化变质玄武岩、弱风化变质玄武岩、风化变质玄武岩的天然密度2.0、2.35、2.65、2.7 g/cm3，内聚力0.3、0.6、1.0、1.2 MPa，内摩擦角20、25、35、40度，变形模量1830、2000、2500、2800 MPa。可以看出，边坡在天然工况下稳定型系数为0.82，安全系数Fs<1，原始边坡存在破坏的可能性，破坏范围在靠近边坡临空面，可能发生的位移最大值为4.6mm。

3.2对设计加固后的边坡进行数值分析验证计算

3.2.1.分级开挖数值计算

预应力锚索加固方案如图3，右岸锚索锚碇设计要求为采用两块锚拉板，锚拉板间预留100mm施工缝，锚拉板横桥向为5.95m，顺桥向尺寸为1.908m，高为7.105m，右岸主缆线两根，每根主缆由9根分散型预应力锚索组成.每根主缆承受一定的应力，其他级坡采用30m的预应力锚索，共9条，为反映岩锚锚碇整体加固效应，承压板采用实体建模，计算参数相应的调高，设置承压板和岩体接触，预应力锚索用锚索单元模拟。计算模型共划分实体单元数46725，进行有限差分计算时，约束底面边界，Y方向约束不发生变形，实体单元和单元材料设置为弹塑性.

采用的有限差分材料力学参数分别为：锚墩、承压板、锚索密度5500、7800、7800 Kg/m3，内聚力2400、2400 KPa，内摩擦角44、48度，弹性模量2.2e7、2.1e8、1.0e8 KPa。对边坡进行分级开挖，开挖第一级边坡后，对边坡进行支护设计，加四排锚索，锚索间距4.5m，结果显示，边坡处于稳定状态，稳定性系数大于1，可能破坏的区域为未开挖后的坡积物堆积层，最大位移值为5.94mm，锚索最大位移为向左0.06mm，最大剪应变增量为0.3%，下排锚索比上排锚索受到的拉应力更大一些。

依次开挖，第二级相比第一级边坡，稳定性系数有所增加，因为存在可能破坏的边坡部分，相应的锚索位移也增加一点，随着开挖的深入，锚索支护的作用越显著，承载力也越大。相比第一级和第二级边坡，第三级已把边坡表面堆积层挖除，但还存在很小的一部分会发生破坏，锚索越在下层，所受到的边坡作用力越大。

3.2.2.最终设计方案数值计算分析

对于锚固区右岸边坡，全部边坡开挖结束后，每根主缆轴力标准值为6700KN，每根主缆由9根预应力锚索承担，每根锚索承受拉力为755KN。只考虑对主缆应力承受的锚索施加应力荷载，其他级边坡锚索不施加荷载，一根主缆应力由9根预应力锚索承担。

在9根预应力锚索受拉荷载作用下，边坡受力显示最大水平受力向左272Kpa，受力区域为受荷载的9根锚索锚固段区域，其中受拉荷载的9根锚索受到边坡引起的压应力，最大压应力为7.4Kpa，受力影响最大的是边缘处的锚索，承压板承担较大的应力，应力分布从边坡内向外逐渐的减小，在接触面地方受力最大，最大值为536Kpa。在锚索受力荷载作用下，边坡稳定性系数为1.40，处于稳定状态，可能发生破坏的地方是锚索受力区域，相比天然状况下可能发生的破坏区域，方案中边坡可能破坏区域较小，承压板有水平向左的虚位移，可能滑动的区域分布在承压板和岩土体接触的地方，最大虚位移为水平向左0.05mm，锚索整体上产生水平向左很小的位移，其中自由端受拉力作用，具有较大的位移，而锚固端，位移较小。

4.结论

（1）边坡在开挖前稳定性系数小于1，处于不稳定状态，局部会发生变形破坏，可能破坏的范围是靠近临空面呈圆弧状，其中崩积物更容易破坏;分级开挖后，边坡形成高陡岩质边坡，需分级支护。模拟计算结果显示，分级开挖、支护后，边坡稳定性系数均大于1，边坡稳定，相比开挖前，稳定性系数更大，但可能发生的滑动位移有所减小，还需要加强支护。

（2）边坡受到锚碇系统向左的荷载作用下，有向左应力分布，受力最大区域为锚固段，锚板承受较大荷载作用，应力主要分布在锚板和岩土体接触部分，锚索承受一定荷载后，由于锚固作用，边坡对锚索具有向右的反作用力，使得锚索具有向右的应力分布;应变分析结果表明，边坡处于稳定状态，稳定性系数为1.40，大于1，处于稳定状态，此时，边坡可能破坏地方为锚固受拉荷载的区域，最大位移向左为3.8mm，锚板可能发生位移为3.6mm，锚索具有向左的位移。

（3）锚索对岩体的加固作用相对显著，提高了岩体承载能力和抗变形能力。

参考文献

[1].耿强.国道G314线奥-布段高边坡路堑稳定性分析与处治研究[D].《长安大学》， 2014

[2].彭胡杰.高速公路隧道开挖与支护力学行为研究[J].《工业》：00113-00113

[3].张青，耿春波，李维.预应力锚索加固边坡的FLAC3D数值模拟分析[J].《黑龙江交通科技》 ， 2013 ， 36 （3） ：107-108

[4].周裕利，芦黎.压力型岩锚锚固体应变测试及分析[J].《广州建筑》 ， 2012 （3） ：29-35