锚索加固边坡稳定性分析及锚索参数优化设计
摘要
预应力锚索作为一种加固措施，广泛应用于边坡工程中，有效地改善了边坡的稳定性。基于滑动面应力的假设，本文提出了一种新的极限平衡法来分析锚索作用下边坡的稳定性。同时，采用非线性莫尔库仑强度准则来描述滑移面剪切破坏时的边坡滑动。然后，通过几个实例的比较和分析，验证了该方法的可行性。与传统的LE方法相比，该方法计算过程简单，无需对边坡安全系数进行迭代循环计算，也能得到合理的解。此外，由于不同加固方式的边坡在等效加固关系下具有相同的稳定性，因此，可将多排锚索加固的边坡简化为多排锚索加固的边坡进行稳定性分析。在此基础上，为便于工程应用和锚索参数的优化设计，绘制了线性M-C强度准则下的加固边坡稳定性图。
关键词：边坡稳定；锚索；极限衡，非线性M-C强度准则；稳定性图表；优化设计。
引言
锚索是边坡工程中一种高效、经济的加固措施。与土钉、挡土墙等加固措施相比，锚索的一个重要特点是可以通过提前拉索来提供预应力。在预应力锚索作用下，充分利用边坡岩土体的强度和承载力，可以有效地提高边坡的稳定性。因此，随着锚索的使用，对加固结构材料用量的需求将会减少，从而使加固结构的重量显著降低。基于上述优点，近年来预应力锚索在边坡加固中得到了广泛的应用，特别是在高陡边坡上。
对于边坡工程师来说，锚索加固边坡有两个重要方面值得关注。为评价预应力锚索的加固效果，在极限平衡法和极限分析法中，通常将锚索的预应力简化为作用在滑动面上的拉力，以解决边坡的稳定性问题。此外，有时采用数值模拟方法来研究锚索与边坡体之间的相互作用的关系。在这些现有的方法中，LE方法由于其简单和可靠，在设计规范中仍被广泛使用。近年来，一些学者也对锚索加固边坡的稳定性进行了广泛的研究。例如，Sagaseta，Sanchez和Canizal(2001)提出了岩石边坡块体倾倒破坏LE分析的一般解析解。Wei， Zhu，and Wan(2010)扩展了水平切片法，并将其应用于锚索加固边坡的稳定性分析。Shukla和Hossain(2011)推导出了多方向锚固岩石边坡抗平面破坏安全系数(FOS)的一般解析表达式。上述成果主要是通过对传统LE方法的改进而获得的。然而，传统的LE方法在复杂条件下的边坡稳定性分析中存在一些尚未解决的难题，如采用迭代循环策略计算结果不收敛，难以与非线性强度准则相结合。
锚索加固边坡的最优加固参数是指确定锚索的合理位置和长度(或预应力)。到目前为止，已有学者对锚索参数的优化设计进行了有意义的研究。Hryciw(1991)进行了一项理论研究，以获得在纯无粘性土中最大限度地提高边坡稳定性的锚点光学定向。Yang等人(2015)基于边坡应力和位移场实现了锚索的最优配筋。Li，Wu， Wang，Li(2016)对锚索布置和锚索长度进行了优化研究。虽然上述研究可以为锚索加固边坡的最佳加固方案提供指导，但在一般情况下，LE法对土质边坡的锚索参数优化设计仍考虑不足。同时，很少有绘制指导工程设计的实用图标。稳定性图对锚索边坡的初步测量具有重要意义。此外，根据给定的稳定性图，可以实现锚索参数计的优化设计，达到对加固边坡的经济效果。
本文提出了一种基于应力分析的锚索加固边坡稳定性分析新方法。在这里，边坡的滑动被认为是受一般非线性莫尔库仑(mc)强度准则约束的滑动面剪切破坏的结果，其中线性mc强度准则是一个特例。在此基础上，通过对垂直切片的受力分析和强度折减系数的介绍，确定了滑移面上的应力(包括法向应力和切向应力)。在此基础上，建立了滑动体的整体力学平衡条件来解决滑动面上的应力。根据其定义，可以得到斜率FOS。通过几个边坡实例的对比分析，验证了所提出方法的可行性。同时，与传统的LE方法进行了比较，提出的方法无需对边坡进行迭代计算，即可快速得到合理、严谨的LE解，并可通过简单的计算机程序对边坡在非线性强度准则下的稳定性进行分析。最后绘制稳定性图，快速获得边坡稳定性，优化设计加固边坡的锚索参数。
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