基于FLAC3D的土质边坡锚杆加固优化设计

王 刚

(湖南辉达规划勘测设计研究有限公司,湖南 长沙 410000)



基于FLAC3D的土质边坡锚杆加固优化设计

王 刚

(湖南辉达规划勘测设计研究有限公司,湖南 长沙 410000)

以某高陡挖方土质边坡工程为背景，基于FLAC3D软件，分析了锚杆长度、间距、倾角等参数对边坡稳定性的影响，并探讨了锚杆的优化设计方法，给出了该边坡的优化设计方案，从而满足边坡加固经济性与安全性的要求。

锚杆，边坡，稳定性，安全系数

锚杆技术是土质高边坡治理中常见的加固手段[1，2]。锚杆设计能够随坡就势、与坡面紧密贴合、布置灵活、无需额外的占地面积、施工方便快捷、经济安全，而且锚杆支护的边坡可以在坡面上植草绿化，美化环境，保护生态[3]。因此，锚杆支护在边坡加固处理中应用越来越广泛。锚杆设计中，涉及到锚杆长度、间距、倾角等诸多参数[4，5]。设计合理的参数，可以在确保安全的前提下，进一步提高锚杆支护的经济性。本文以某高陡挖方土质边坡为工程背景，基于FLAC3D分析了锚杆长度、间距、倾角等参数对边坡稳定性的影响，探讨了锚杆优化设计的方法，并给出了该边坡的优化设计方案。

1 工程背景

某小区东侧为高陡土质挖方边坡。该边坡距离最近的住宅楼约14 m，高约15 m，边坡坡度约为1∶0.8。该边坡地层情况如表1所示。为保证住宅楼的安全，拟采用锚杆系统对该边坡进行加固治理。

表1 勘察报告提供的地层参数

2 加固前边坡稳定性分析

锚杆设计前，先采用FLAC3D有限差分软件对该边坡稳定性进行了数值模拟分析。分析过程中地层模型采用摩尔—库仑模型，采用自编的强度折减法进行稳定性分析。摩尔—库仑模型中重度、内聚力和内摩擦角参数参照表1中的数据，其余参数选取如下：体积模量1.2e8 Pa，剪切模量4e7 Pa，抗拉强度1e6 Pa。FLAC3D计算得到的边坡稳定系数为1.08，剪应变增量云图及速度矢量图如图1所示。计算结果说明该边坡处于临界稳定状态，若遇持续降雨等扰动状态，可能会发生滑移。因此，需进行加固处理。根据剪应变增量云图，可以推断出危险滑移面的位置。

3 锚杆优化设计

采用锚杆对该边坡进行加固，首先根据设计规范选取数组锚杆垂直间距、锚杆倾角以及锚杆长度的可行组合，分别采用FLAC3D进行数值分析，力求找到较优的加固设计方案。数值模拟中，地层模型仍选用摩尔—库仑模型，锚杆采用结构单元进行模拟。

3.1 锚杆垂直间距对边坡稳定性的影响

设计锚杆倾角为20°，上下锚杆长度分别为12 m或8 m，锚杆垂直间距分别为2.5 m，3 m和3.5 m进行数值模拟，间距不同时锚固体应力分布如图2所示。

2.5 m,3 m,3.5 m三种间距加固情况下，边坡稳定性安全系数分别为：2.6，2.1，1.7。根据CECS 22:2005岩土锚杆(索)技术规程，当永久性边坡稳定性危害较大但不致出现公共安全问题时，安全系数应大于2。因此，此三种情况下，认为间距3 m为较优选择。通过对三种间距下情况对比分析还可以得出如下结论：上部锚杆受力较小，主要是中下部锚杆受力；锚杆长度设置太长时，锚固体所起的锚固作用有限，因此锚杆长度可适当减小。

3.2 锚杆倾角对边坡稳定性的影响

根据3.1研究结果，锚杆垂直间距设计为3 m，最下面一排锚杆长度设计为6 m，其余锚杆长度设计为10 m，锚杆倾角分别为15°，20°，25°进行数值模拟。倾角不同时锚杆轴力分布如图3所示。15°，20°，25°三种间距加固情况下，边坡稳定性安全系数分别为：2.1，2.0，1.8。倾角越大，安全系数减小。查询轴力最大值可知，三种情况下15°，轴力最大值最小。因此认为锚杆倾角较小时，加固效果较优。但锚杆倾角不能太小，否则影响水泥砂的灌注。

3.3 锚杆长度对边坡稳定性的影响

根据锚杆倾角为15°，垂直间距设计为3 m时，两种不同的锚杆长度模拟结论可以看出：两者的安全系数相等；锚杆长度设置太长时，锚固体所起的锚固作用有限，因此在设计过程中锚杆长度无需设置太长，其起到的加固作用有限，但经济成本会增加。

4 结语

通过FLAC3D强度折减法分析，未加固边坡处于临滑状态。对锚杆加固边坡进行数值模拟，通过对比分析，认为较优的设计方案为：锚杆倾角为15°，垂直间距设计为3 m，最下面一排锚杆长度设计为6 m，其余锚杆长度设计为10 m。该设计方案下，加固后边坡稳定安全系数为2.1，满足规范要求，能同时兼顾安全性和经济性。

[1] 孟宪坤,江 燕.浅谈土锚杆在土质边坡处理中的应用[J].水电施工技术,2010(3):4-6.

[2] 王建明.论灌浆锚杆在粘性土质边坡加固设计中的应用[J].水利技术监督,2004,12(5):55-56.

[3] 陈道远.锚杆格构梁在土质边坡支护工程中的应用[J].四川建材,2008,34(3):227-228,231.

[4] 陈 峰,陈银生.有限元法在边坡锚杆优化设计中的应用[J].资源环境与工程,2009,23(S1):161-163.

[5] 夏 伟,冯光乐,王雪刚.蒙特卡洛法在边坡锚杆优化设计中的应用[J].公路,2001(6):73-76.

The reinforcement optimization design of soil slope anchor rod based on FLAC3D

Wang Gang

(HunanHuidaPlanningandSurveyDesignResearchLimitedCompany,Changsha410000,China)

Taking the soil slope engineering of a high steep slope excavation as the background, based on the application of FLAC3D software, analyzed the influence of anchor length, spacing, angle and other parameters to slope stability, and discussed the optimization design method of anchor rod, gave the optimization design scheme of the slope, so as to meet the safety and economy requirements of slope reinforcement.

anchor rod, slope, stability, safety coefficient

1009-6825(2017)10-0085-02

2017-01-23

王 刚(1982- )，男，工程师

TU472

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