锚杆混凝土框架植草防护是近年来在总结锚杆挂网喷浆（混凝土）防护的经验教训后发展起来的，各地梁按在坡体上的位置可分为纵梁（或肋柱）和横梁，一般而言，纵、横梁之间呈相互正交的关系。锚杆框架梁加固边坡的作用通常可归纳为三种：①锚固效果；②抗剪效果；③虚拟重力挡墙效果[1]。

 

　　本文基于大型有限元软件ANSYS，结合湖南某省道一级公路改建工程路段右侧深路堑边坡锚杆混凝土框架加固工程，对锚杆框架梁加固边坡稳定性及其受力机理进行平面有限元分析，以指导设计与施工。

 

 

　　该段深挖方路基处于低山陵地貌区的剥蚀残丘斜坡带，地层情况为上覆第四系（Q）土层及下伏泥盆系长坳组（D3C1chl）泥质灰岩，泥质灰岩呈弱风化状。路线走向80O，岩层产状140O，∠38O，路线与岩层走向夹角60O，节理三组240O，∠56O；30O，∠82O；300O，∠7O。表层1.50-10.00m亚粘土，硬塑，含少量碎石。坡口线最高处垂直高度达39.5m。为保证边坡长期稳定性，需进行加固处理。坡比按一、二及三级1：0.5，四级1：1进行设计，一、二级边坡自然裸露，不作人工防护处理，三级边坡设置框架锚杆结合挂组合网防护，第四级边坡坡面挂铁丝网喷播植草防护。

 

　　经过工程设计方案分析，采用竖梁间距为4m，横梁间距为3m（4m×3m）和竖、横梁间距均为4m（4m×4m）的4排12m长的全长粘结型锚杆对第三级边坡进行加固。锚杆穿过节理面将风化破碎岩体与稳定岩体锚固为一整体。锚杆采用φ32螺纹钢筋，锚杆钢筋保护层厚度为2cm。注浆材料选用M30水泥砂浆，注浆压力为0.2MPa。框架纵横梁厚度30cm、宽度40cm，框架格梁为现浇C25钢筋混凝土。横梁每10～15m设一道伸缩缝，缝宽2cm，以沥青麻絮填塞。框架竖梁延伸至坡顶及坡脚平台，横梁延伸至挖方区边界，延伸长度大于2m时，梁上增设锚杆。

 

　　3有限元仿真分析研究

 

　　3.1有限元强度折减法原理

 

　　有限元强度折减法是本世纪70年代提出，其基本原理就是不断降低岩土C、φ值，至破坏是C、φ降低倍数就是边破稳定安全系数[2]。

 

　　有限元中边坡破坏的判据：边坡达到破坏状态时，滑动面上的位移将产生突变，产生很大的且无限制的塑性流动，有限元计算都不收敛，因此采用力或位移不收敛作为边坡破坏的判据是合理的。有限元计算都不收敛时的塑性区便是边坡滑动面位置[2]。

 

　　边（滑）坡支挡结构的设计原则：滑面上每点都达到极限应力和极限应变状态，岩土体抗剪强度得到充分发挥，这就是破坏力学中的破坏准则。此时，支挡结构上承受主动土压力，按此即能保证坡体安全，又能最大限度地节省经费。这是工程界几十年来一直采用的设计原则[2]。

 

　　本文中，岩土材料用PLANE2单元模拟，框架梁采用Beam3单元模拟，锚杆采用link1单元模拟，硬性结构面采用面面接触方式模拟。岩土材料结构模型采用理想弹塑性模型，屈服准则为摩尔-库仓等面积圆屈服准则[2]。

 

　　3.2边坡稳定性分析

 

　　本文选取该段最高边坡（坡高39m，如图2所示的边坡剖面）进行分析。计算采用的力学，有限元模型。分别对开挖前、开挖后未支护、开挖后支护的边坡情况进行有限元数值分析。

 

　　边坡支护前后的稳定安全系数如表2所示，边坡开挖前的安全系数为1.35，滑面位置；开挖未支护时的安全系数为1.03，滑面位置开挖支护后的安全系数分别为1.31（采用4m×4m框架支护）和1.26（采用4m×3m框架支护）。支护后边坡稳定安全系数大于1.2，满足《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）要求，表明此法改善了边坡的稳定性，对保持边坡坡面的完整性是有效的；同时，边坡稳定安全系数又小于1.35，表明采用此法加固边坡是经济可行的。

 

　　3.3锚杆及框架梁内力分析

 

　　经ANSYS分析计算后，求出框架梁的弯矩分布，剪力分布、锚杆与框架梁的轴力分面。可以看出，混凝土框架梁的最大弯矩为4399Nm、剪力为6841N、轴力为-334608N，其轴力为负表示受压。从图8可以看出，靠坡脚下的下部锚杆的轴向力大于上部锚杆同一位置的轴向力。经过验算，混凝土框架梁和锚杆能满足设计要求。

 

 

　　总结以上分析和现场实际的施工，可以得出下列结论：

 

　　4.1弱风化泥质灰岩受气候影响容易风化崩解、岩体破碎并产生节理面，采用锚杆框架梁护坡可把风化破碎岩体锚固为一整体，防护边坡崩坍落石，并起虚拟挡土墙的作用。

 

　　4.2按有限元强度折减法对边坡稳定性进行分析求得的边坡安全系数表明，该路堑边坡经加固后安全系数提高22%，可见该加固方法对边坡稳定性的改善作用显著。因此，对岩体破碎的弱风化泥灰岩路堑边坡，采用锚杆框架梁护坡是行之有效的方法。

 

　　4.3经有限元计算分析结果表明，4m×3m锚杆框架梁在满足边坡稳定的前提下更节约造价。

 

　　该一级公路改建工程某路段右侧深路堑边坡锚杆混凝土框架加固工程在进行有限元分析并设计施工后，效果较显著。证明此加固方法比较可靠，可供同类工程参考。