柱板式錨桿加固邊坡有限元模擬與效果分析

董開(kāi)亮

本文根據(jù)勘察報(bào)告中所提供的巖土體力學(xué)參數(shù)與坡體地質(zhì)情況,運(yùn)用ANSYS有限元軟件模擬分析了湖南某高速公路柱板式錨桿結(jié)構(gòu)加固邊坡的位移與應(yīng)力變化情況,并且試驗(yàn)觀測(cè)驗(yàn)證了柱板式錨桿結(jié)構(gòu)加固邊坡的良好效果。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告,該處滑體剖面自上而下的巖層為:①黏土沖積層,紫紅色、松散、孔隙率大、易滲水,含25%左右的基巖風(fēng)化殘余礫塊,粒徑2 mm～5 mm,厚度約 2 m;②強(qiáng)風(fēng)化砂巖層,以紫紅色亞黏土為主以及與泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化碎塊組成,中夾50%左右粒徑0.5 cm～4 cm的碎塊,厚度3 m～10 m。第1號(hào)、2號(hào)滑體主要是沿該滑動(dòng)帶底板滑動(dòng);③中風(fēng)化砂巖層,以紫紅色的粉砂巖為主,薄層狀,水平層理,裂隙發(fā)育,呈張剪性,巖石被切割成 3 cm～15 cm的碎塊,構(gòu)造裂隙一般被石膏充填,可沿該裂隙面形成滑動(dòng)面,厚度4 m～8 m;④微風(fēng)化砂巖層,紫紅色泥質(zhì)粉砂巖,中厚層狀,巖石堅(jiān)硬,屬于滑床部分。

2 有限元法對(duì)滑體處治效果的模擬分析

2.1 建立模型

在有限元建模過(guò)程中我們做了以下假設(shè):1)為了減除因模型外形奇異引起的計(jì)算不收斂,對(duì)模型進(jìn)行一些局部的簡(jiǎn)化。如對(duì)風(fēng)化程度不同的地層界面的考慮,是采用直線還是折線來(lái)代替。2)假設(shè)在所分析計(jì)算的地層區(qū)域內(nèi),不存在斷層等不連續(xù)的因素,每層巖體內(nèi)部在水平方向上同質(zhì)均勻。

根據(jù)具體的地形、地質(zhì)鉆孔資料,建立了二維模型來(lái)進(jìn)行分析。取分析模型的長(zhǎng)、高分別為72.5 m,35 m。建好后的模型如圖1所示。

2.2 單元網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

在模型中,采用Plane42來(lái)模擬各地層,Beam3模擬坡表的柱板混凝土結(jié)構(gòu),Link1模擬錨桿結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分時(shí)選取了“四邊形選項(xiàng)”設(shè)置,使網(wǎng)分好的模型外部表征為四節(jié)點(diǎn)單元,模型網(wǎng)格劃分好后,單元總個(gè)數(shù)為1 567(處治前)。對(duì)于邊界條件的設(shè)置,模型底部采用的是全約束(X,Y),左側(cè)邊界進(jìn)行了水平方向(X)的約束。網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示。

2.3 定義材料屬性及參數(shù)調(diào)節(jié)

在經(jīng)過(guò)對(duì)坡體處治前模型反復(fù)計(jì)算與參數(shù)調(diào)整后,最終所采用的巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示,這些數(shù)據(jù)為進(jìn)一步模擬分析與評(píng)價(jià)整治效果提供了基礎(chǔ)。

表1 實(shí)際計(jì)算所采用的各層物理力學(xué)參數(shù)

2.4 模型求解及結(jié)果分析

文中分析選用全牛法以及DP屈服準(zhǔn)則與位移收斂準(zhǔn)則。在模型求解結(jié)束后,對(duì)位移、應(yīng)力的分布進(jìn)行了查看,繪制出了模型的各種等值線圖,從邊坡加固前后的等值線變化來(lái)看:最大水平位移從加固前的165 cm變?yōu)榧庸毯蟮?7 mm,且分布區(qū)域有所減小并從上部向下部轉(zhuǎn)移,表明加固措施取得了一定的效果;從剪應(yīng)力的分布來(lái)看,由于錨桿的作用,強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化砂巖層的剪應(yīng)力集中情況有一定的減弱,并向深部的微風(fēng)化砂巖層轉(zhuǎn)移。各錨桿所受軸力分布如圖3所示。

從以上的分析來(lái)看,采用柱板式錨桿結(jié)構(gòu)加固邊坡后,坡體的位移及應(yīng)力分布得到了明顯的有利于穩(wěn)定的改善。在實(shí)體工程處治中,我們采取此種柱板式錨桿結(jié)構(gòu)來(lái)治理該處邊坡,并進(jìn)行了柱板式錨桿結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用效果觀測(cè)與分析

3.1 測(cè)量器件布設(shè)

由鉆探的地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)施工的鉆進(jìn)情況,滑面位置約處于坡面下12 m～14 m范圍內(nèi),為了解其內(nèi)力分布,均勻布置鋼筋計(jì)。錨桿由布設(shè)的鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)量,其中應(yīng)變片式鋼筋應(yīng)力計(jì)由YJ-18靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量。測(cè)量時(shí)應(yīng)變片式鋼筋應(yīng)力計(jì)并聯(lián)于所測(cè)量的錨桿上與其共同變形。其所測(cè)量的應(yīng)變即錨桿的應(yīng)變值。鋼弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)串聯(lián)于錨桿上,測(cè)量較為簡(jiǎn)單,可由PZX-1型振弦式頻率檢測(cè)儀直接讀出其對(duì)應(yīng)內(nèi)力的頻率,通過(guò)其標(biāo)定的曲線即可定出。因其讀數(shù)簡(jiǎn)單,準(zhǔn)確,且元件穩(wěn)定性好,受環(huán)境影響小,其作為測(cè)量校正用。

3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

本測(cè)量從2008年7月7日起,各鋼筋計(jì)測(cè)量結(jié)果如表2,表3所示。

表2 M27錨桿鋼筋計(jì)測(cè)量結(jié)果表

表3 M7號(hào)鋼筋計(jì)測(cè)量結(jié)果表

從記錄數(shù)據(jù)來(lái)看,被動(dòng)式砂漿錨桿內(nèi)拉力,其受力最大處為距孔口7 m～8 m處,可能是滑面位置。在灌漿后7 d錨桿拉力達(dá)到一個(gè)峰值,然后在后幾個(gè)月內(nèi)保持基本穩(wěn)定。

將2號(hào)孔的編號(hào)為99023,99003,99025的應(yīng)變片式鋼筋應(yīng)力計(jì)的三次實(shí)測(cè)的拉伸力(t)(三次實(shí)測(cè)時(shí)間為2008年7月15日,2008年9月5日以及2009年9月24日)作成如圖4,圖5所示的曲線,可以看出:在一根被動(dòng)式砂漿錨桿上,錨桿受力是不均勻的,靠近孔口段受力大,隨孔深加大而漸漸減小,但它們隨時(shí)間的變化值則大致相等,這與理論分析的預(yù)期結(jié)果相一致。

將觀測(cè)值與有限元分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可見(jiàn),結(jié)果是比較吻合的,只是錨桿受力大小的部位有所差別,可能是與計(jì)算時(shí)滑移面的處理不能完全真實(shí)有關(guān)。從觀測(cè)與計(jì)算結(jié)果來(lái)看,該邊坡的設(shè)計(jì)與處理是成功的。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS有限元軟件強(qiáng)大的巖土分析功能,對(duì)典型斷面采取柱板式錨桿結(jié)構(gòu)處治后的效果進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià),為指導(dǎo)設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)支撐。通過(guò)后期對(duì)實(shí)體工程錨桿的跟蹤監(jiān)測(cè),其觀測(cè)值與分析計(jì)算結(jié)果比較吻合,在一定程度上反映出邊坡設(shè)計(jì)與處理是比較合理的、成功的。上述成果直接指導(dǎo)了該高速公路高陡路塹邊坡處治施工整治,取得了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

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