总第２５４期 ２０１２年第５期 交通科技 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｅｒｉａ１ Ｎｏ．２５４ ＮＯ．５ Ｏｃｔ．２０１２ 锚喷加固边坡开挖过程锚杆轴力变化规律分析＊ 田小波 （贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 ５５０００１） 摘要结合某道路高边坡锚喷加固工程，通过数值模拟和现场测试结果，讨论了支护时机与锚 杆轴力的相互关系，分析了开挖过程中锚杆轴力的变化特征，指出及时支护时锚杆轴力比滞后支 护时锚杆轴力大，下阶坡体开挖时上阶锚杆轴力会产生突变。 关键词 岩质高边坡 锚喷加固 锚杆轴力 支护时机 锚喷加固边坡是一种较先进的加固技术，其 施工完后，再进行下层开挖施工。图１是设计断 面及开挖顺序示意图。 基本原理是锚抨（索）穿过岩土体滑动面深固于岩 土体内部，锚杆头用钢筋纵横连接，使锚杆产生群 锚作用。近年来因其良好的整治效果、可实施性 强、施工简便、相比其他加固措施经济合理而得到 ｝．＿●， ●●●Ｌ 广泛应用－１］。实际工程中，常采用“逆作法”施工， 由上而下分阶开挖，及时支护。其优点是减少了 开挖对坡体的扰动，开挖坡体暴露时间短，有利于 坡体稳定Ｌ２］。但对于地质条件较差的高边坡，开 挖高度增加，即使支护及时，因下阶开挖应力调整 影响，上阶支护结构受力变大仍然可能失效。因 此，有必要研究支护时机和锚杆轴力的相互关系， 图ｌ设计断面及开挖顺序示意图（单位：ｍ） ２锚杆轴力的数值分析 保证边坡在施工和使用期间的安全。本文结合某 道路边坡工程，通过数值模拟和现场测试相结合 的方法，讨论了支护时机与锚杆轴力的相互关系， 分析了开挖过程中锚杆轴力的变化特征。 １ 工程概况 利用有限差分软件ＦＬＡＣ３Ｄ进行数值模拟， 以图１所示断面建立模型。岩土体采用摩尔一库 仑模型、系统锚杆采用锚杆单元模型、边坡开挖过 ｆ＿＿ ＿－１ 程采用空模型。开挖模拟情况分下面２种施工方 案：（１）分阶开挖，及时支护；（２）开挖完成后，一次 性支护。方案（１）是模拟实际工况；方案（２）作为 该工程位于某道路北侧，边坡岩体强度较低， 岩体裂隙不发育～稍发育，岩体整体较完整，是较 完整软岩岩体中修建的高边坡工程。边坡总长度 ３８０ Ｉｎ，最大高度约５６ ｍ，采用系统锚杆锚喷挂网 对比工况。各自模拟过程为：（１）第１阶开挖一 计算５００时步一施加第１阶锚杆一计算１ ５００时 步一…一第７阶开挖一计算５００时步一施加第７ 支护。边坡分７级放坡，每级高度８ ＩＴＩ，坡率１： ０．５，台阶宽度２ ｍ。锚杆为２Ｏ的螺纹钢，间距２ 阶锚杆一计算至收敛；（２）７阶全部开挖一计算 ５００时步一施加７阶全部锚杆一计算至收敛。图 ｍ，行列式排列，锚杆纵横向设置２ １６联系钢 筋。设计每阶开挖高度为８ ｍ。开挖后先喷５ ｃｍ 混凝土以护坡，然后钻孔、插锚杆、注浆、挂网，加 联系钢筋，最后喷混凝土到１５ ｃｍ厚。该阶喷锚 ＊黔科合重大专项字（２００８６０１３—０４）资助 收稿日期：２０１２—０５—１０ ２为按方案（１）施工完成时的锚杆轴力图。 图３是及时支护时第一阶锚杆随开挖步的变 化曲线。可以看出，锚杆轴力随着边坡的逐级开 挖而增大，其中第二步开挖时锚杆轴力增量最大， 之后增量速率逐步减小。这是因为下阶边坡开挖 后，坡体原有平衡条件被打破，应力重新分布使得 上一级边坡的支护结构发生变化 。随着开挖深 ２０１２年第５期 田小波：锚喷加固边坡开挖过程锚杆轴力变化规律分析 ６３ 度的加大，开挖卸荷区的应力释放增大，同时产生 好地发挥锚杆的被动加载作用。及时支护时上阶 开挖后应力松弛程度较小，卸荷不充分，而一次支 相应的侧向变形，应力逐渐向锚杆转移，这样锚杆 会受到较大的轴向拉力。如果支护结构强度不 足，就会使支护结构受力超过其设计强度而失效， 这种现象在边坡分步开挖中经常出现，必须给予 护则卸荷比较充分，其结果将造成一次支护边坡 坡体初期（上阶开挖后）的损伤大于及时支护，锚 杆的作用得到较好地发挥。 足够的重视，图４所示为锚杆最大轴力对比图。 图２锚杆轴力图 图３第一阶锚杆最大轴力变化图 第７阶 第６阶 恕第５阶 第４阶 Ｗ据－第３阶 第２阶 第１阶 Ｕ ｂ ｌＵ ｌｂ ２０ ｂ Ｕ 轴力／ｋＮ 图４锚杆最大轴力对比图 对比图４中２条曲线可以看出，及时支护时 锚杆轴力比滞后支护时锚杆轴力大，说明支护时 机的选择对支护结构的受力有较大影响。在施工 中如果整个坡体开挖完成后再施工锚杆，这时边 坡已发生较大变形，后期的变形已比较小，导致锚 杆承受的力也比较小Ｌ３］。采用这种施工方法锚杆 对边坡体的应力和变形调整也较小，因此不能较 ３锚杆轴力的现场监测结果分析 根据现场实际情况，共布置了４根监测锚杆， 编号为Ｂｌ～Ｂ４，每根锚杆上有３个钢筋计，如图 ５所示。 图５监测点立面布置不意图 通过监测结果的分析，总结出在边坡开挖过 程中锚杆轴力的变化特征如下： （１）下阶坡体开挖时，上阶坡体锚杆轴力发 生突变，随着锚杆距开挖面距离的增大，突变量逐 渐减小。如图６所示，前两阶坡体开挖后埋设第 一根监测锚杆Ｂ１，第３阶开挖后，其轴力最大值 由１２．４ ｋＮ突增至ｌ７．４ ｋＮ，其余的监测锚杆在 下阶坡体开挖时也表现出这种特征。这表明下阶 开挖时的卸荷效应，使上阶坡体对坡面“加载”产 生快速变形，使上一阶锚杆轴力产生突变［５］。 ２４ ２２２０ 堇１ ８。 ： ６ ４ ２０ 开挖步 图６锚杆轴力随开挖步的变化曲线 （２）锚杆轴力表现出上大下小的规律性。边 坡上部锚杆轴力最大，随着高度的降低而逐渐减 小。图２与图７均表现出这一规律，说明了数值 ６４ 田小波：锚喷加固边坡开挖过程锚杆轴力变化规律分析 ２０１２年第５期 象，采取了４阶以上每阶顶排锚杆增强的加固措 施，以增加边坡稳定性。 （３）随着开挖的推进，锚杆的轴力分布也发 ＼￡ 扫叵 生了变化。图８为不同工况下锚杆轴力分布图。 由此可以看出轴力最大值位置随工况不同而 世 妊 ｛毋 不同。随着开挖的逐步进行，锚杆最大轴力点的 位置向坡体内部移动，这表明随着开挖的进展，开 挖扰动作用在坡体内产生的松弛区会逐渐扩大。 根据文献［２］，开挖过程中，锚杆轴力最大值在发生 锚杆最大轴力／ 变化，该点是坡体内松动区和未松动区的分界点。 可根据锚杆最大轴力位置，绘出每阶开挖后的松动 图７ 开挖完成后锚杆轴力监测值和模拟值对比 模拟结论的合理性。模拟值偏大，可能是由于模 拟时进行模型简化，并将锚杆视为全粘结性锚杆， 粘结力有所变化引起的。根据这一规律，针对施 工中部分开挖面暴露时间长，坡面风化严重的现 区范围。由于本次监测每根锚杆上布置的钢筋计 数量较少，不能准确反映轴力最大值位置，但可根 据锚杆上轴力变化情况，反映出松弛区上部大、下 部小，且向坡体内逐渐扩大的规律。 ｂ）第４阶开挖 互 ＼ 长 暴 姆 锚杆长度／ｍ ｄ）第７阶开挖１５ ｄ后 图８锚杆轴力时程曲线图 ４ 结论 （４）对于多级边坡，下阶开挖时上阶支护结 构内力增量较大，上阶支护结构必须有足够的强 度，可考虑对上阶开挖后及时进行一定强度的临 时支护，下阶开挖及时进行永久支护，再对上阶边 坡进行永久支护。 参考文献 （１）锚杆轴力随着边坡的逐级开挖而增大， 下阶边坡开挖会对上阶锚杆内力产生较大增量。 锚杆轴力与支护时机密切相关，支护越及时，轴力 越大。 （２）下阶坡体开挖时，上阶坡体锚杆轴力发 生突变，随着锚杆距开挖面距离的增大，突变量逐 渐减小。 （３）随着开挖的逐步进行，锚杆最大轴力点 的位置向坡体内部移动。锚杆轴力表现出上大下 小的规律性。边坡上部锚杆轴力最大，随着高度 Ｅ１］陈建平，唐辉明，李学东．岩质边坡锚喷加固应用中 的几个问题［Ｊ］．中国地质大学学报：地球科学， ２００１，２６（４）：３５７—３６０． ［２］周德培，常 春．软岩高边坡开挖过程中锚杆轴力 分析［ｃ］／／中国岩石力学与工程学会第五次学术大 的降低而逐渐减小。 会，１９９８． （下转第６７页） ２０１２年第５期 黄小平 吁燃：基于可拓学理论的顺层岩质斜坡稳定性评价研究 ６７ 版，２００７，２８（１２）：ｌ７７０—１７７４． 参考文献 ［３］李克钢．指标动态权重对斜坡稳定性的影响研究 ［１］ 王琛，潘 峰．模糊物元模型在岩土边坡稳定性 ｒＪ］．岩土力学，２００９，３０（２）：４９２—４９６． ［４］李克钢，许 江，李树春，等．基于可拓理论的边坡 稳定性评价研究［Ｊ］．重庆建筑大学学报，２００７，２９ （４）：７５—７８． 综合评价中的应用ＥＪ］．水利水电技术，２００４。３５（９）： ３４－３６． ［２］ 康志强。周 辉．冯夏庭，等．大型岩质边坡岩体质 量的可拓学理论评价［Ｊ］．东北大学学报：自然科学 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｅｄｄｉｎｇ Ｒｏｃｋ Ｓｌｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ Ｈｕａｎｇ Ｘｉａｏｐｉｎｇ ，Ｙｕ Ｒａｎ （１．Ｇｕｉｚｏｕ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ａｃａｄｅｍｅ Ｃｏ．，Ｌｅｄ．，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｉｎｃｌｕｄｅ ｓｌｏｐｅ ｈｅｉｇｈｔ，ｓｌｏｐｅ ａｎｇｌｅ，ｃｏ— ｈｅｓｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ，ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ，ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｒａｉｎｆａｌｌ，ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｒｏｃｋ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｍａｔｔｅｒ－ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ，ａｎｄ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＡＨＰ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔＯ ａｃｃｏｕｎｔ ｗｅｉｇｈ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｄｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｅｄｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｌｏｐｅ；ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ；ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ＡＨＰ （上接第６４页） ［３］ 江学良，曹 平．边坡动态施工的有限元模拟与稳 定性评价［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，４（３）： ３５０—３５５． ４５—４８． ［５］易庆林，邓华锋，王乐华．某公路边坡开挖卸荷变形 研究［Ｊ－１．地下空问与工程学报，２００９，５（２）：１３９— １４３． ［４－ 刘文平。赵燕明，１郑颖人．岩质边坡开挖应力与变形 的有限元模拟［Ｊ］．后勤工程学院学报，２００４（２）： Ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｌａｗ ｏｆ Ａｎｃｈｏｒ＇ｓ Ａｘｉａｌ Ｆｏｒｃｅ Ｄｕｒｉｎｇ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎｃｈ０ｒ—ｓｈ０ｔｃｒｅｔｅ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｓｌｏｐｅ Ｔｉａｎ Ｘｉａｏｂｏ （Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ８Ｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｃａｄｅｍｅ Ｃｏ．．Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ ｓｌｏｐｅ ａｎｃｈｏｒ—ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔａｓ ａ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ— ｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｎｃｈｏｒ ｓｈａｆｔ ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｏｔ，Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒ ８ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｏｐｅ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｒａｗｎ ｔｈａｔ ａｎｃｈｏｒｓ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗｈｅｎ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｔｉｍｅｌｙ ｉｓ ｂｉｇ— ｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｌａｔｅｒｌｙ ａｎｄ ｍｕｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｎｃｈｏｒ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｗｉｌｌ ｈａｐｐｅｎ ｗｈｅｎ ｌｏｗｅｒ ｓｌｏｐｅ ｉＳ ｅｘｃａｖａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ ｈｉｇｈ—ｓｌｏｐｅ；ａｎｃｈｏｒ—ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ａｎｃｈｏｒ ｓｈａｆｔ ｆｏｒｃｅ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｉｍｅ
