基于FLAC3D,的边坡稳定性及预应力锚索支护优化研究

姚一鸣

（昆明理工大学，云南 昆明 650000）

从上个世纪 60 年代开始[1]，有人采用数值方法进行边坡的应力分析。美国 Itasca 公司也推出了FLAC3D被运用于边坡动力变化分析中，目前广泛应用于边坡稳定性系数和变形特征研究中[2]。

而预应力锚索支护技术是目前边坡加固的常见技术之一，对边坡有着良好的支护效果[3]。

本文采用FLAC3D 对马鞍山小学边坡进行稳定性分析，研究边坡稳定性并提出基于预应力锚索的锚固初步支护设计方案，并对初步设计方案进行优化，探索不同因素对边坡支护效果的影响。

1.1 基本特征及H1-1 滑坡周界特征

马鞍山小学滑坡（图1）总体平面形态呈不规则的舌型，H1 滑坡已发生下滑，总体坡向310°。滑坡体宽约20m，斜长约42m，前后缘地形高差约21m。滑坡后缘为高约2.0-5.0m 的土质陡坎，坡度近于直立。在其后缘形成一次级滑坡体H1-1，平均地形坡度约32°，主滑方向310°，主轴长34m，宽约20m，面积约480m2，前后缘地形高差约24m。主要地层有为第四系残坡积层，石炭系中上统泥质粉砂岩。

图1 工程地质平面图

根据地形地貌及台坎、地表开裂的位置来确定滑坡周界，前缘为高陡临空面，地形地貌可以为滑坡的滑动提供临空面和剪出口，判定为滑坡前缘。滑坡后缘茶地中出现多条裂缝，判定为滑坡后缘。

1.2 现状及发展趋势

根据现场调查访问，H1 滑坡目前处于稳定状态。而H1 滑坡后缘的陡坎自稳能力较差，若不进行工程治理，可能导致其后缘茶地次级滑坡体H1-1 产生牵引式滑动，因此对该边坡进行加固处置。

本次数值模拟计算采用 FLAC3D。根据土工试验结果确定土体物理力学参数见表 1。

表1 边坡数值模型参数

计算选取滑坡中部一典型剖面进行计算。图2 为该边坡的现状模型。1 为粘土1，2 为粘土2，3 为泥质粉砂岩。

图2 边坡建模图

经过计算，H1-1 稳定性系数为1.028，处于临界稳定状态。结合图3 临界状态其与现场边坡局部失稳状态一致。

图3 边坡合位移云图

3.1 支护设计方案

采用预应力锚索对边坡进行支护。锚索自由端长度为6-12m，锚固段长度为4m，垂直间距为2m，锚索倾角为35°。根据建筑边坡工程技术规范,对预应力锚索的材料及构造进行设计。锚索杆体采用无粘结钢绞线，AST-MA416-87a 标准270 级钢绞线，根数1x7，直径Φ 为15.24mm。钻孔孔径为150mm。水泥浆选用普通硅酸盐水泥，灰砂比1.2，水灰比0.4。自锚索孔底一次性压满水泥浆，自由端采用防护油、塑料管隔离。锚索设计拉张力为800KN。

图4 边坡支护模型

如图5 所示，计算锚固后的边坡临界状态，在初步设计方案锚固下，边坡的稳定性系数为1.33，处于稳定状态且满足相关规范要求。

图5 锚固边坡临界状态

3.2 预应力锚索垂直间距对边坡稳定性的影响

预应力锚索支护的初步设计方案，极大地提高了H1-1 边坡的稳定性。但其结构设计仍然存在这优化的可能性。本次优化设计主要考虑：预应力锚索垂直间距及锚索倾角两个方面。首先如下图6、表2，调整预应力锚索垂直间距，分别为：1m、2m、3m、4m、5m。建立相应的优化模型，计算其临界状态，分析边坡稳定性变化情况。

表2 预应力锚索垂直间距优化设计

图6 垂直间距对边坡稳定性的影响

如图7 所示，垂直间距对边坡的稳定性影响存在临界状态。当垂直间距为2m 时，安全系数达到最大。

图7 锚索垂直间距与边坡安全系数的关系

3.3 预应力锚索倾角对边坡稳定性的影响

探究预应力锚索倾角的变化对边坡安全系数的影响。如图8 所示，拟采用垂直间距为3m，建立边坡支护倾角优化模型，调整预应力锚索倾角分别为：15°、20°、25°、30°、35°。分析不同倾角对于边坡稳定性的影响。如下表3 所示。

表3 预应力锚索倾角优化设计

图8 倾角对边坡稳定性的影响

如图9 所示，当倾角变化为30°、25°时，边坡的安全系数大幅增加。

图9 锚索倾角与边坡安全系数的关系

对预应力锚索的初步设计方案优化设计：垂直间距调整为3m，倾角调整为25°。支护后的边坡稳定性系数为1.49。优化后不仅提高了边坡的稳定性，还极大地降低了成本。

（1）在自然工况下，边坡的稳定性系数为1.028，边坡处于失稳状态。且模拟结果与实际调查结果一致。

（2）提出了预应力锚索的初步支护设计方案。支护后边坡处于稳定状态，安全系数为1.33。

（3）在该边坡支护中，当锚索垂直间距为2-3m，倾角为20°-30°时，对边坡最有利。