FLAC3D塑性分析及预应力锚索在高陡边坡治理中的应用

【摘 要】FLAC3D是一个三维有限差分程序，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，本文通过实际工程来计算边坡设计参数，并通过施工后的监测来说明预应力锚索在高陡边坡治理中的应用。

【关键词】FLAC3D；塑性流动；预应力锚索

1. 前言

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）由美国Itasca公司开发的。FLAC3D是一个三维有限差分程序，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。本文通过在苏南地区典型顺层石英砂岩高陡边坡设计参数及施工进行分析研究，为今后同类型边坡治理提供经验。

2. 工程概况

（1）太湖湾度假村位于常州市武进区雪堰镇酱缸山南麓，由于工程建设开挖山体，形成了高陡边坡（最高大于50m，各开挖台级上的坡度近90°，详见图1），原有山坡体被切割，改变了山体地质应力，导致了山体的发生顺层滑动及崩塌地质灾害。

图1 工程平面图（2）本区地层为志留系中下统茅山群（Sm）中段。岩性为中厚层细粒石英砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩。岩层走向为北东，倾向南东，倾角为17～37゜。本区基岩区主要接受大气降水补给，以人工开采或泉的形式排泄，在潘家一带砂岩裂隙水自流。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工作区抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计地震基本加速度值为0.10g。

3. 边坡稳定性数值分析

本文采用FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）进行三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。根据剖面1-1的建模图如图2所示。 模型选用的材料参数如表1所示。通过FLAC3D对模型进行计算得出以下结果：

（1）边坡的应力分布：高程越低应力越大，同一水平高度上坡顶一侧应力稍大于坡脚一侧的应力。模型中竖直方向最高应力值为1.11MPa。具体应力分布如图3所示。

5. 工程施工及质量控制

施工工艺如下：施工准备——钻孔——锚索制作——锚索安装——注浆——立锚墩——拉张——封孔注浆——外部保护。

（1）钻孔：钻孔是锚索施工中控制工期的关键工序。为确保钻孔效率和保证钻孔质量，需采用潜孔冲击式钻机，钻孔深度要超出锚索设计长度0.5m左右，并以高压风吹孔，确保孔内干净。

（2）锚索制作：锚索在钻孔的同时于现场进行编制，内锚固段采用波纹形状，张拉段采用直线形状。钢纹线下料长度为锚索设计长度、锚头高度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作余量的总和。将截好的钢绞线平顺地放在作业台架上，量出内锚固段和锚索设计长度，分别作出标记；在内锚固段的范围内穿对中隔离支架，间距60～100cm，两对中支架之间扎紧固环一道；张拉段每米也扎一道紧固环，并用塑料管穿套，内涂黄油；最后，在锚索端头套上导向帽。

（3）锚索安装：向锚索孔装索前，再以高压风清孔一次，即可着手安装锚索。锚索到位后，再检查一遍排气管是否畅通，若不畅通，拔出锚索，排除故障后重新送索。

（4）注浆：注浆采用排气注浆发施工，注浆管插至孔底，砂浆由孔底注入，空气由锚索孔排出。锚索孔注浆采用注浆机，注浆压力保持在0.3～0.6 MPa。

（5）立锚墩：锚墩的作用是把锚具的集中荷载传递到岩面和调整岩面受力方向。为了使锚墩上表面与锚索轴线垂直，预先将一根外径与钻头直径相同的薄壁钢管和垫板正交焊牢，浇筑锚墩前将钢管的另一端插入钻孔即可。

（6）张拉：张拉锚索前需对张拉设备进行标定。标定时，将千斤顶、油管、压力表和高压油泵联好，在压力机上用千斤顶主动出力的方法反复试验三次，取平均值，绘出千斤顶出力（KN）和压力表指示的压强（MPa）曲线，作为锚索张拉时的依据。

（7）封孔注浆：张拉后，立即进行封孔注浆，注浆管从预留孔插入，直至管口进到锚固段顶面约50cm；孔中的空气经由设在定位止浆环处的排气管排出。

（8）外部保护：封孔注浆后，从锚具量起留50mm钢绞线，其余的部分截去，在其外部包覆厚度不小于50mm的水泥砂浆保护层。

6. 结语

（1）FLAC3D所计算出的参数与其他方法计算出的参数对比误差极小，在工程在施工结束后经过半年的位移观测，平面位移和沉降量均满足要求。

（2）预应力锚索施工技术工序较繁杂，技术性较强，在施工过程中应重视施工环节，以保证锚索的拉张质量，避免预应力的损失。

（3）在其他同类型边坡治理中可采用FLAC3D进行模式塑性流动，以能提供更准确的设计参数。