顺倾红层边坡锚固参数的优化设计

张玉芳

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

随着我国山区铁路事业的迅速发展，边坡支护工程越来越多。由于锚杆强度高，能够让边坡达到要求的安全度，如何通过锚杆提高边坡的抗滑性也受到了业界的广泛重视。采用锚杆加固边坡时，须要将锚杆底端打入边坡稳定岩层，并通过锚杆的传力机制提高边坡的抗滑性能，锚固段长度、锚固角度、预应力大小等锚固参数及组合布置方式均能对边坡的稳定性产生较大影响［1-4］。由于边坡岩体强度材料参数差异化严重，边坡失稳破坏的形式须具体工况具体分析，采用工程经验类比法可能影响到边坡稳定性分析的评价精度［5］。本文以一铁路红层边坡工点为例，通过对锚固参数的优化，对边坡锚固性能进行研究。

1 工程概况

1.1 工程设计

该工点线路以隧道方式从山体中部穿过。隧道出口洞顶平台上方仰坡为五级坡：第一级坡率1∶0.3，垂向高度4～6 m，坡顶平台宽约2 m；第二级坡率1∶0.5，垂向高度4～6 m，坡顶平台宽约2 m；第三级坡率1∶1，垂向高度约7 m，坡顶平台宽约2 m；第四级坡率1∶1.5，垂向高度约8 m，坡顶为宽约2 m 缓坡平台，平台靠山侧设有检查通道及截水天沟；第五级坡率约1∶1，最大垂向高度约3 m，坡顶以上为缓坡耕地，如图1所示。

图1 隧道出口仰坡全貌

1.2 工程地质

该工点所在区域属构造侵蚀、剥蚀低中山地貌区，区域内地形起伏较大，山高谷深，自然斜坡坡度40°～60°，局部较陡峭近直立。周边多为林地并有少量旱地，总体植被覆盖良好。表层覆盖残坡积粉质黏土，下伏基岩为泥岩，裂隙发育，岩体破碎，属典型红层地区。

该区域属亚热带季风湿润型山地气候，高山地带冬季长半年左右，春连夏无秋，气候寒冷，风雪大，常有浓雾笼罩。区域内年平均雨量在1 000～2 000 mm。周边常流地表水系经过，地下水以第四系松散孔隙水及基岩裂隙水为主。

2 边坡病害评估

现场调查发现，该工点边坡主要病害有4种。

病害1：隧道出口边坡、仰坡均为岩质边坡，岩性为泥岩，抗风化能力弱，强风化层厚，遇水软化严重，且发育两组竖向贯通裂隙，易与近水平层面组合切割形成危岩体，在长期降雨入渗、风化等共同作用下易引发崩塌、浅表层溜坍等。

病害2：隧道洞顶上方第一至第三级坡最大高差近35 m，坡面挂网喷混凝土，施工质量差，喷层厚度不足，且锚杆与钢筋网未有效连接，防护能力弱，现场调查多处可见喷层剥落掉块。

病害3：隧道洞顶仰坡第四级坡为土质裸坡，覆盖层厚度约1.5 m，在降雨地表水流冲刷作用下易发生浅表层溜坍。

病害4：隧道洞顶仰坡第五级坡为岩土二元边坡，较陡，表层土体结构松散，下部基岩风化强烈，在降雨地表水流冲刷作用下易引发浅表层溜坍、垮塌，导致天沟堵塞。

3 边坡锚固设计优化研究

3.1 边坡支护方案设计

边坡病害主要是由隧道出口、仰坡和冲沟附近发生溜坍所致。因此在设计治理方案时主要从以下两方面入手：①拆除隧道上方第五级仰坡既有天沟外沟帮后新设一道C25混凝土挡墙，兼做该段天沟外沟帮。墙身自沟底以上设一排泄水孔。②清除隧道出口左侧第二级坡及正上方第四级坡坡面松散覆盖层，而后对隧道出口左侧边坡、右侧边坡及正上方仰坡均采用HRB400 螺纹钢筋潜孔钻锚杆挂网喷C25 混凝土进行封闭加固。

为了更好地发挥边坡支护的加固性能，一共设计了4种锚杆设置方案，通过FLAC 3D软件进行模拟，对比得到最优的锚杆施工设计。

方案1：第1至第12排锚杆长度均为7.5 m。

方案2：第1至第12排锚杆长度均为9 m。

方案3：自坡脚以上第1至第5排锚杆长度为12 m，第6 至第7 排锚杆长度为9 m，第8 至第12 排锚杆长度为6 m。

方案4：第1至第12排锚杆长度均为12 m。

3.2 计算模型的建立与参数确定

3.2.1 模型边界及监测设置

图2 数值计算模型

计算模型如图2所示。模型底部与侧面采用固定约束，顶部不施加约束。采用摩尔库伦强度准则。锚杆采用cable 单元模拟，在边坡中布置5 排竖向位移监测点，用以监测边坡深部位移。

3.2.2 数值计算流程设计

1）根据工程地质研判结果进行数值建模、参数赋值、试算。

2）根据现场边坡实况进行参数修正，确定准确的模型和参数。

3）工点所在区域降雨量大，且红层软岩具有遇水易崩解的特性，在暴雨或持续强降雨的情况下危险性更大，因此选取降雨工况对4 种方案进行模拟。将土体含水率接近饱和时的土体参数作为反映降雨条件下的工况设计［6］。

3.2.3 模型参数

修正后得到边坡断面粉质黏土及泥岩层的物理力学参数，见表1。

表1 边坡断面地层物理力学参数

3.3 计算结果

采用FLAC 3D 软件计算模型的稳定系数，得到自然状态下边坡稳定系数为0.99。《滑坡的分析与防治》［7］中规定稳定系数0.95～1.00 的滑坡属于滑动阶段，其特点为沿后缘张拉裂缝发育滑壁，两侧的剪切裂缝已在撕开后产生明显的相对位移等，与现场勘察情况较为一致。

通过对4 种不同锚杆设计方案的数值计算分析，研究不同锚固深度对边坡的变形和塑性区的影响。

3.3.1 方案1

方案1 边坡不同位置的位移见图3。可知：①粉质黏土地层发生明显位移，其中第一级坡和第二级坡处位移最为明显，最大位移分别为816，696 mm。雨水入渗坡体后，导致坡体内部岩土性质改变，边坡呈向下蠕动的趋势，下滑力不断增大；7.5 m 锚杆提供抗滑力后，下滑力仍然较大，导致边坡位移也不断增大。7.5 m 的锚杆未能有效地控制边坡位移。②边坡位移主要发生在土岩交界面以上，交界面处其位移变化最为明显，在交界面以上土体位移不断增大直至地表。

图3 方案1边坡不同位置的位移

边坡表面受到拉应力破坏的影响较大（图4），在土岩交界面处表层土体和下部剪出口受到剪应力破坏的影响较大。总体来说，7.5 m 锚杆提供的抗滑力较弱，对边坡的防护效果有限，边坡破坏较为严重。7.5 m的锚杆防护未能使边坡达到最佳防护效果。

图4 方案1边坡塑性区

3.3.2 方案2

方案2边坡不同位置的位移见图5。可知：第一级坡和第二级坡处位移最为明显，土体最大位移分别为542，431 mm。9 m 锚杆提供抗滑力后，下滑力仍然相对较大，导致边坡位移也不断增大，9 m 的锚杆防护未能有效地控制边坡位移。边坡深部位移模式未发生改变。

图5 方案2边坡不同位置的位移

方案2 边坡塑性区见图6。边坡表面零星区域受到拉应力破坏，下部剪出口受到的剪应力破坏影响较大，土岩交界面处未受剪应力影响。9 m 的锚杆防护确实能够有效地减小边坡的下滑力，增大边坡的抗滑力，但下部剪出口仍受到影响，9 m 的锚杆防护同样未能使边坡达到最佳防护效果。

图6 方案2边坡塑性区

3.3.3 方案3

方案3边坡不同位置的位移见图7。可知：第二级坡处位移最为明显，最大位移为386 mm。随着边坡向下蠕动，下滑力不断增大。由于伴随下滑力不断增大其锚杆锚固设计长度也在不断增长，使得下滑力大小始终保持稳定，边坡位移也始终控制在200～400 mm，有效地控制了边坡位移。边坡深部位移模式并未发生改变。

图7 方案3边坡不同位置的位移

边坡表面零星区域受到拉应力破坏，未受到剪应力影响，边坡塑性区状态良好。通过改变锚杆的锚固深度，确实能够有效地减小边坡的下滑力，增大边坡的抗滑力，维持边坡的稳定。不同深度锚杆混合防护使边坡达到最佳防护效果，见图8。

图8 方案3边坡塑性区

3.3.4 方案4

方案4边坡不同位置的位移见图9。可知：第二级坡处位移明显，土体最大位移为290 mm。随着下滑力不断增大，12 m 锚杆提供抗滑力后，下滑力大幅度减小，位移60～300 mm，12 m 的锚杆能有效地控制边坡变形。边坡深部位移模式同样未发生改变。

边坡未受到拉应力和剪应力影响发生破坏，边坡塑性区状态良好。12 m 的锚杆能够有效地减小边坡的下滑力，增大边坡的抗滑力，维持边坡的稳定。12 m的锚杆使边坡达到最佳防护效果，见图10。

图9 方案4边坡不同位置的位移

图10 方案4边坡塑性区

3.4 边坡锚固措施优化

4 种方案锚固效果见表2。可知：方案1 和方案2防护效果并不理想，方案3 和方案4 防护效果较为理想。但结合其经济性考虑，方案3 为最优边坡加固处理方案。

表2 4种方案锚固效果

4 结论

1）按照自坡脚以上第1 至第5 排锚杆长度为12 m，第6 至第7 排锚杆长度为9 m，第8 至第12 排锚杆长度为6 m 的方案进行锚杆施工时，边坡最大位移和塑性区均处在较为理想的状态，能够使边坡的加固性能达到最大。该方案为最优边坡加固处理方案。

2）在进行边坡锚杆防护设计时，锚杆支护对改善边坡整体性有良好作用。在下滑力大的地方适当增加锚杆的锚固深度，在下滑力较小的地方适当减小锚杆锚固深度，这样既能更好地发挥边坡的加固性能，又能保证施工的经济性。