左亞淮

（江蘇省地質(zhì)工程勘察院）

隨著工程建設(shè)行業(yè)的飛速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)的安全隱患問題也越來越多，以鐵路、礦山、橋梁建設(shè)工程為例，需要大量挖掘周邊土體，工程開展過程中，經(jīng)常有周邊土體結(jié)構(gòu)、水體結(jié)構(gòu)以及生態(tài)環(huán)境會受到影響，導(dǎo)致原有高山轉(zhuǎn)為平地，河道發(fā)生改變，生態(tài)環(huán)境多樣性發(fā)生變化。由此可以看出，建筑施工所處區(qū)域必將出現(xiàn)較多巖質(zhì)或者土質(zhì)邊坡［1］。建筑工程施工階段，經(jīng)常會隨著施工時間的推移，發(fā)生多種不可人為干預(yù)的變化。比如降水導(dǎo)致邊坡遭受出現(xiàn)侵蝕，巖質(zhì)邊坡在自身大質(zhì)量作用下導(dǎo)致自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，或者地震、洪水等不可抗自然災(zāi)害導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡受到的影響［2-4］。工程建設(shè)過程中，受到多種因素影響，巖質(zhì)邊坡經(jīng)常出現(xiàn)局部變形情況，這種變形較為嚴重時會導(dǎo)致邊坡整體發(fā)生坍塌或滑移，造成不可挽回的經(jīng)濟、財產(chǎn)損失［5］。武博強等［6］使用注漿方式對失去穩(wěn)定性的巖質(zhì)邊坡開展加固工作，將混凝土支架灌注在喪失穩(wěn)定性的巖質(zhì)邊坡之中，使用區(qū)域置換法計算出注漿深度、潛在晃動位置以及穩(wěn)定系數(shù)，確定注漿加固之后巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性變化；該方法雖然能夠一定程度上改善邊坡的穩(wěn)定性，但是試驗過程中考慮的影響因素較少，試驗結(jié)果和分析內(nèi)容并不充分。李蘭等［7］使用抗滑樁結(jié)合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)合支撐邊坡，并且通過數(shù)值模擬計算在該支護方式下，邊坡的受力變形情況，試驗結(jié)果表明，增加內(nèi)支撐以后，抗滑樁的承載力強度更高，能夠更好地治理邊坡的變形情況，但是該方法試驗過程中并沒有考慮地震、降水等多種自然因素影響導(dǎo)致的邊坡穩(wěn)定性變化。

使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡時，需要預(yù)先在邊坡巖體上鉆孔，借助預(yù)應(yīng)力將錨頭固定在巖體之中，此后錨索發(fā)揮牽引力，避免邊坡再發(fā)生滑移失穩(wěn)［8-9］。這種預(yù)應(yīng)力錨索能夠改善巖質(zhì)邊坡抵抗自然災(zāi)害導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的問題，整體性提升邊坡的強度。又使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡，并使用數(shù)值模擬的方法，驗證該種加固方式的效果，為今后巖質(zhì)邊坡治理提供更多的改進方向。

1 研究區(qū)概況

本項目是華北地區(qū)礦材開采而形成的巖質(zhì)邊坡，該邊坡高度平均在28 m，平均坡度角為75°，盡管已經(jīng)不再開采礦材，但是目前該邊坡之下建設(shè)諸多居民樓，邊坡與居民樓距離最近的位置只有12 m。邊坡后的山體屬于單斜巖層，巖體上的巖面和坡面之間形成相反傾向，邊坡角比巖層傾角更小，該區(qū)域的巖體呈現(xiàn)出節(jié)理裂隙發(fā)育，這種發(fā)育趨勢導(dǎo)致巖體被分裂成無數(shù)大小不同的巖塊，所以該巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性較差，受到自身質(zhì)量、外界環(huán)境以及自然災(zāi)害的影響，極易發(fā)生坍塌。該區(qū)域在工作階段形成諸多峭壁，坡面高低不平且常年受到暴雨侵襲，很容易出現(xiàn)滑坡災(zāi)害以及后續(xù)次生災(zāi)害，對于周邊的居民樓造成極大威脅。該研究區(qū)域?qū)儆跍貛Ъ撅L氣候，冬季常年受到西伯利亞高壓影響，盛行東北風，夏季降雨較多，盛行東南季風。該研究區(qū)域的巖質(zhì)邊坡由中風化石灰?guī)r組成，可以劃分成剛性巖層特征。邊坡參數(shù)見表1。

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由于在礦材開采過程中遭受多次爆破，邊坡上的巖體出現(xiàn)較為明顯的剝離，導(dǎo)致邊坡表面出現(xiàn)較為明顯的次生破裂，具體破壞形貌見圖1。

2 預(yù)應(yīng)力錨索加固方法

使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖性邊坡，需要先確定邊坡滑動面的位置形狀、深度等參數(shù)［10-12］。根據(jù)研究區(qū)域邊坡概況，初步計算出預(yù)應(yīng)力錨索的支護參數(shù)，作為選擇詳細的施工工藝的依據(jù)。錨索數(shù)量N由式（1）確定。

式中，P代表預(yù)應(yīng)力錨索的抗拔力，通過試驗可以確定，kN；Pn與Pt分別表示在邊坡滑動面法線和切線方向上的分力，kN；α與φ分別代表錨索和邊坡滑動面之間的夾角和巖質(zhì)邊坡的內(nèi)摩擦角，（°）；K表示超過2的安全系數(shù)；E代表邊坡向下滑動的滑力總合力，kN。

通過式（2）計算得出預(yù)應(yīng)力錨索的錨固長度L：

式中，d與P分別表示錨索直徑與錨索承載力，kN；τ表示所用錨固劑和錨索之間的剪切強度，MPa；n表示錨索中鋼絞線的數(shù)量。

預(yù)應(yīng)力錨索在研究區(qū)域的實際張拉步驟如下。

（1）經(jīng)過測量，在巖質(zhì)邊坡上打下錨孔，空位偏差小于100 mm，完成打孔以后，清理錨孔表面，確保裸露在外的錨板保持整潔；清理預(yù)應(yīng)力錨索中鋼筋端部的螺紋，確保錨索本身沒有雜質(zhì)干擾。

（2）將錨索安裝在錨孔之中。

（3）安裝錨索之后，向錨孔中灌注錨固劑，提升錨固效果，一次灌漿完成以后，觀察錨固效果，及時二次補漿。

（4）在巖質(zhì)邊坡上布置張緊支架，張緊桿從該支架的中心穿過，以便后續(xù)將千斤頂安裝在該支架上。

（5）錨固劑注漿24 h 后，向錨索施加預(yù)應(yīng)力，使用千斤頂逐漸施加應(yīng)力。

（6）按照設(shè)計的值向錨索施加力，使用六角套筒鎖緊地腳螺母。

（7）完成錨索安裝，將荷載卸載，將張拉工具拆除，做好防腐除銹工作后，使用混凝土封閉錨頭。

加固過程中，在巖質(zhì)邊坡的坡腳豎向打入4排預(yù)應(yīng)力錨索，豎向間距與水平間距分別為3 m 與2.5 m，錨索與坡頂距離為1.26 m。每個錨索的預(yù)應(yīng)力值為125 kN。

預(yù)應(yīng)力錨索安裝時還需要關(guān)注以下幾個問題。

（1）升高千斤頂時需要保持較為緩慢的速度，安排工作人員查看巖質(zhì)邊坡是否出現(xiàn)嚴重裂縫。

（2）壓樁過程不能間斷。

（3）確保預(yù)應(yīng)力錨索的樁尖安裝在巖質(zhì)邊坡的風化基巖之中。

（4）壓裝過程中關(guān)注千斤頂?shù)臄?shù)值變化，每增加200 mm 將數(shù)值記錄下來，以便確定預(yù)應(yīng)力錨索進入巖層的厚度。

（5）使用焊接的方式將樁帽預(yù)埋鐵件與樁體連接，焊接過程選取E43 焊條，同時控制焊縫高度在6 mm以上。

3 基于有限元的預(yù)應(yīng)力錨索支護分析

使用FLAC3D專業(yè)巖土分析軟件，模擬分析使用預(yù)應(yīng)力錨索加固以后，所研究巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性變化情況。向FLAC3D軟件中輸入巖質(zhì)邊坡的相關(guān)參數(shù)，內(nèi)摩擦角與黏聚力分別為32.6°與22.6 kPa，極限摩擦力與容重分別為55 kPa與17.9 kN/m3。

構(gòu)建巖土邊坡的模型，考慮到巖質(zhì)邊坡的巖土特性，使用彈塑性材料模型，同時參考Mohr-Coulomb屈服準則［13-14］。模型約束條件如下。

考慮具體計算條件，模型法向約束為巖質(zhì)邊坡模型左右2 個邊界，固定約束可以看作是地面邊界，將巖質(zhì)邊坡的頂面和坡面都看作是自由面。在FLAC3D軟件中，共設(shè)定9 295 個實體單元，網(wǎng)格數(shù)量為12 550 個。巖質(zhì)邊坡模型未使用預(yù)應(yīng)力錨索加固時的原始應(yīng)力是巖質(zhì)邊坡的自身質(zhì)量，同時將邊坡的位移場和速度場清除，取值為0。所研究邊坡的網(wǎng)格模型見圖2。

使用FLAC3D軟件分析不同影響因素之下，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固對于邊坡穩(wěn)定性的影響，具體方法如下。

（1）邊坡平臺寬度影響。邊坡平臺是指較高邊坡為了確保不輕易發(fā)生坍塌，會沿著縱向方向在坡面上設(shè)置一定寬度的平臺，但從前人研究經(jīng)驗來看［15］，未加固階段平臺的寬度會直接影響邊坡的穩(wěn)定性，所以在軟件中設(shè)置平臺寬度為2.5，3.5，4.5，5.5，6.5，7.5，8.5 m，模擬預(yù)應(yīng)力錨索加固前后邊坡位移變化。

（2）錨固角大小影響。巖質(zhì)邊坡水平面和預(yù)應(yīng)力錨索之間會形成一個錨固角，該角度關(guān)聯(lián)錨索長度和錨固力，所以錨固角的大小與巖質(zhì)邊坡抗滑能力關(guān)系較大。設(shè)置錨固角大小分別為-5°、0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°，在軟件中分析不同錨固角下，巖質(zhì)邊坡在使用預(yù)應(yīng)力錨索加固前后邊坡的水平位移變化情況。

（3）錨固力大小影響。錨固力是指預(yù)應(yīng)力錨索加固之后，巖質(zhì)邊坡和錨固位置之間形成的一種結(jié)合力，錨固力也可以用來描述預(yù)應(yīng)力錨索的極限承載力。在軟件中設(shè)定錨固力分別為300，500，700，900，1 100，1 300 kN，分析不同錨固力影響下，巖質(zhì)邊坡的位移與剪切應(yīng)變速率變化情況。

（4）地震荷載作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性變化。在軟件中模擬外部因素干擾下，巖質(zhì)邊坡加固前后穩(wěn)定性變化。巖質(zhì)邊坡處在自然環(huán)境之中，因此會受到風蝕、水蝕、地震等多種自然災(zāi)害的影響，導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性遭受破壞，自然界中對邊坡破壞最大、破壞效果最直接的方式就是地震，因此在軟件中，模擬向加固前后巖質(zhì)邊坡施加不同時長的地震荷載情況下，巖質(zhì)邊坡的位移變化。

3.1 加固前后有限元分析

使用FLAC3D軟件模擬預(yù)應(yīng)力錨桿加固前后巖質(zhì)邊坡的塑性應(yīng)變，結(jié)果見圖3。

由圖3（a）可以看出，未使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡之前，巖質(zhì)邊坡的最大塑性應(yīng)變達到0.994×10-4，從巖質(zhì)邊坡的坡腳位置率先出現(xiàn)塑性應(yīng)變，該應(yīng)變向坡頂發(fā)展，未加固巖質(zhì)邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。從圖3（b）中能夠看出，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡以后，邊坡的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.254×10-4m，在巖質(zhì)邊坡的坡腳位置出現(xiàn)較為明顯的塑性應(yīng)變，向上塑性應(yīng)變并不嚴重，由此可以看出，使用預(yù)應(yīng)力錨索，能夠有效控制巖質(zhì)邊坡的塑性應(yīng)變情況。

受到巖質(zhì)邊坡自身質(zhì)量的影響，邊坡會向X和Y方向發(fā)生位移，在FLAC3D軟件中模擬預(yù)應(yīng)力錨桿加固前后，巖質(zhì)邊坡的位移變化，結(jié)果見圖4。

從圖4中能夠看出，未使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡之前，X方向和Y方向上最大位移分別為0.485×10-3和0.529×10-4m，巖質(zhì)邊坡在這2 個方向上均呈現(xiàn)出較大位移變化，體現(xiàn)出巖質(zhì)邊坡缺乏穩(wěn)定性。圖4（b）和圖4（d）為預(yù)應(yīng)力錨索加固后巖質(zhì)邊坡X方向和Y方向位移變化，加固后巖質(zhì)邊坡在這2 個方向的最大位移分別為0.113×10-3和0.415×10-4m，與未加固相比，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固的巖質(zhì)邊坡位移明顯降低，說明使用預(yù)應(yīng)力錨索加固以后，巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)情況得到很好改善，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性得到極大提升。

3.2 邊坡平臺寬度對邊坡位移影響

在FLAC3D軟件中模擬不同邊坡平臺寬度下，預(yù)應(yīng)力錨索加固前后邊坡最大水平位移變化情況，結(jié)果見表2。

從表2 能夠看出，無論是否加固巖質(zhì)邊坡，邊坡的水平位移都會隨著邊坡平臺寬度的增加而變小，這種情況主要是由于邊坡平臺寬度能夠一定程度增加邊坡的穩(wěn)定性，所以能夠降低巖質(zhì)邊坡的位移變化；對比加固前后巖質(zhì)邊坡的水平位移，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固以后，巖質(zhì)邊坡的最大水平位移明顯低于未加固巖質(zhì)邊坡的位移，以7.5 m平臺寬度為例，未加固時巖質(zhì)邊坡水平位移為6.25 mm，而使用預(yù)應(yīng)力錨索加固以后，巖質(zhì)邊坡的水平位移只有4.68 mm，明顯低于加固之前，說明使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡以后，能夠極大程度提升巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

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3.3 錨固角差異對邊坡位移的影響

模擬分析不同錨固角之下巖質(zhì)邊坡的水平位移變化以及剪應(yīng)變速率變化，結(jié)果見表3。

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從表3 中能夠看出，假如錨固角數(shù)值較小，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡以后，邊坡的位移較小，如果錨固角數(shù)值較大，邊坡的位移也較大，錨固角在-5°至5°范圍內(nèi)，邊坡的位移變化波動最小，錨固角未超過0°時，巖質(zhì)邊坡并不會出現(xiàn)較為明顯的塑性應(yīng)變。錨固角增大或減小，邊坡的剪應(yīng)變速率并沒有出現(xiàn)明顯變化，說明改變錨固角，并不會直接影響邊坡剪應(yīng)變速率變化。綜合分析表3中數(shù)據(jù)，錨固角不適宜過大，考慮到研究過程中設(shè)置巖土約束條件與灌漿施工的限制，錨固角為0°時，邊坡加固的效果最好。

3.4 錨固力差異對邊坡位移的影響

分析不同錨固力影響下，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡之后邊坡水平位移與剪切應(yīng)變速率，結(jié)果見表4。

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由表4 可知，錨固力不足900 kN 時，預(yù)應(yīng)力錨索加固后的巖質(zhì)邊坡位移與剪應(yīng)變速率均出現(xiàn)較為明顯的異常波動，但是錨固力超過900 kN 后，加固后的巖質(zhì)邊坡的位移與剪應(yīng)變速率均呈現(xiàn)出較為明顯的上升。由此可以看出，錨固力900 kN 是一個關(guān)鍵點，在該錨固力下，巖質(zhì)邊坡不會出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，所以該錨固力屬于較為可靠的范圍。

3.5 地震荷載對邊坡位移的影響

在軟件中向加固前后邊坡施加相同的地震荷載，模擬在地震作用之下預(yù)應(yīng)力錨索加固前后巖質(zhì)邊坡的水平位移變化情況，結(jié)果見圖5。

從圖5 看出，地震荷載作用于巖質(zhì)邊坡，可以看作是一個持續(xù)化的荷載施加，隨著地震荷載的施加時間增長，未使用任何加固方式的巖質(zhì)邊坡水平位移上升趨勢較快，從初步施加地震荷載，至施加地震荷載60 ms，邊坡的水平位移由2 mm 升高至6.5 mm。使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡以后，地震荷載作用之下，邊坡位移發(fā)生變化，但是增長趨勢較為緩慢，說明使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡以后，即使受到地震這類自然災(zāi)害影響，巖質(zhì)邊坡仍然能夠保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，不會出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)破壞情況，說明加固方法效果較好。

4 結(jié) 論

工程建設(shè)過程中會出現(xiàn)巖質(zhì)邊坡失去穩(wěn)定性的情況，使用預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡，提升巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。通過計算確定預(yù)應(yīng)力錨索用量與錨索長度，并收集研究區(qū)域巖體基本數(shù)據(jù)，在該巖質(zhì)邊坡上安裝預(yù)應(yīng)力錨索，對存在安全隱患的巖質(zhì)邊坡實施支護加固。使用FLAC3D軟件構(gòu)建該巖質(zhì)邊坡的模型，模擬不同參數(shù)變化及干擾情況下，巖質(zhì)邊坡位移變化情況以及變形情況。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，使用該預(yù)應(yīng)力錨索加固巖質(zhì)邊坡以后，不會發(fā)生明顯位移，即使改變相關(guān)參數(shù)，仍舊能夠提升該巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，即使受到地震影響，也能具有較好穩(wěn)定性。