錨桿參數(shù)優(yōu)化在開挖邊坡加固中的應(yīng)用研究

張良發(fā)

(湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)，湖北宜昌 443100)

錨桿參數(shù)優(yōu)化在開挖邊坡加固中的應(yīng)用研究

張良發(fā)

(湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)，湖北宜昌 443100)

結(jié)合工程實(shí)例，采用有限差分法建立數(shù)值模型。分別改變錨桿的幾個(gè)支護(hù)參數(shù)，利用FLAC軟件計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，以此分析這些參數(shù)對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的影響，從而選擇合適的參數(shù)。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和有限差分法，對(duì)支護(hù)前和支護(hù)后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了錨桿參數(shù)選擇的合理性。

邊坡支護(hù);錨桿參數(shù);邊坡穩(wěn)定性;安全系數(shù)

0 引言

錨桿支護(hù)是近年發(fā)展起來的用于巖土工程的一種擋土技術(shù)，具有施工簡單、加固效果顯著和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，適用于深基坑工程和邊坡支護(hù)工程，它較多地用作開挖邊坡的臨時(shí)支護(hù)，也可作為永久性擋土結(jié)構(gòu)［1］。然而，在目前的實(shí)際工程中，人們對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)基本是憑借工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，不能合理有效地進(jìn)行設(shè)計(jì)，這給工程帶來一定隱患，也會(huì)造成工程材料的極大浪費(fèi)。因此，有必要進(jìn)一步研究合理的支護(hù)參數(shù)，正確指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，確保邊坡穩(wěn)定性和合理的施工成本［2］。隨著計(jì)算方法和各種數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程中的不斷發(fā)展，本文應(yīng)用了有限差分法模擬錨桿的支護(hù)效果，定量得出了各個(gè)支護(hù)參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，從而確定錨桿支護(hù)最優(yōu)參數(shù)。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地條件

某工業(yè)開發(fā)區(qū)工程，因修建工業(yè)大樓的需要，擬將其旁一山體內(nèi)側(cè)的巖土體挖掉。開挖后將形成土—巖混合邊坡，邊坡安全等級(jí)為二級(jí)。被開挖部分山體的垂直高度為15.5 m，按1∶0.4的比例分兩次放坡，放坡高度分別為8 m和7.5 m。

由于山體開挖后的邊坡穩(wěn)定性將直接影響建筑物的安全使用，故需根據(jù)該山體的地質(zhì)情況正確分析其開挖后所形成邊坡的穩(wěn)定性，制定合理的邊坡支護(hù)方案。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告顯示，該山體內(nèi)的地層自上而下的順序主要有：第四系坡洪積層、沖洪積層、殘積層以及侏羅系中統(tǒng)基巖，其巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

由邊坡的工程條件可知，邊坡主要為第四系沖洪積層和第四系坡殘積層，其土層抗剪強(qiáng)度較大，但局部破碎、軟硬互層的構(gòu)造特性又導(dǎo)致其穩(wěn)定性較低，在地表水及雨水作用下邊坡容易發(fā)生滑塌。邊坡開挖之后，在坡體內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個(gè)順坡向的軟弱結(jié)構(gòu)面，傾角約30°，長度約25 m，傾角小于坡角，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成潛在的嚴(yán)重威脅。在滑體后部產(chǎn)生張裂縫，裂隙深為5 m，裂隙內(nèi)水深4 m。該張裂縫對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有很大的影響，特別是在暴雨情況下，由于張裂縫底部排水不暢，張裂縫可能臨時(shí)充水達(dá)一定高度，沿張裂縫及滑動(dòng)面產(chǎn)生靜水壓力，使滑動(dòng)力突然增大，造成邊坡滑移［3］。

表1 巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)一覽表Table 1 Geotechnical layer of the physical and mechanical indexes list

2 穩(wěn)定性分析

將邊坡假設(shè)為均質(zhì)邊坡，則邊坡的穩(wěn)定性分析可按平面剪切破壞類型考慮，見圖1。

圖1 具有張裂隙和靜水壓力的邊坡Fig.1 Slope with tension joint and water pressure

用剛性極限平衡法分析，穩(wěn)定系數(shù)可按下列公式計(jì)算：

圖2 邊坡計(jì)算模型示意圖Fig.2 Figure of calculation model for slope

根據(jù)上述幾何模型及計(jì)算參數(shù)，編寫FLAC計(jì)算程序，并運(yùn)行FLAC軟件作數(shù)值模擬分析，對(duì)模型邊坡進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最后開挖完成的有限差分網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 開挖邊坡網(wǎng)格圖Fig.3 Excavated slope trellis

式中：L為滑動(dòng)面長度(m);β為邊坡坡腳(°);α為滑動(dòng)面傾角(°);u為作用在滑塊地面上的水浮托力(kPa);v為張拉裂縫中的水壓力(kPa);γw為巖體的重度(kN/m3);Z為張裂隙深度(m);Zw為裂隙中水的深度;W為滑體自重(kN)。

c，φ，γ的取值是根據(jù)山坡原狀巖土試樣進(jìn)行試驗(yàn)得出的。將相應(yīng)參數(shù)代入公式計(jì)算得Fs=0.97，小于設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)1.25，不符合規(guī)范要求，說明現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性較差，需采取加固措施。

由于邊坡空間位置較特殊，坡腳靠工業(yè)大樓基礎(chǔ)很近，工業(yè)樓下設(shè)有地下停車庫，因此決定采用錨桿支護(hù)。

3 錨桿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于縱向較長的實(shí)體邊坡，其計(jì)算模型可以簡化為平面應(yīng)變問題［4］。

本模型計(jì)算范圍選?。篐=30 m，L=60 m;模型的邊界條件為：兩側(cè)邊界約束水平位移為0，下側(cè)邊界約束豎向位移為0。其計(jì)算模型剖面示意圖為圖2所示。

為了選取合適的錨桿參數(shù)，這里采用單因素分析方法研究錨桿長度(L)、錨桿傾角(α)、錨桿垂直間距(V)等支護(hù)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，即：選定1個(gè)基準(zhǔn)模型，變化其中的1個(gè)參數(shù)，通過數(shù)值模擬計(jì)算邊坡安全系數(shù)，并進(jìn)行分析，選出錨桿支護(hù)參數(shù)的最優(yōu)化方案［5］。

3.1 錨桿長度的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范可將錨桿傾角固定為15°，選取網(wǎng)格面積(長×寬)為2 m×2 m，L每次遞增2 m。代入相關(guān)物理參數(shù)，分析L從2～20m遞增過程中，K隨錨桿長度的變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 L與K的關(guān)系Fig.4 The relation between L and K

由圖4可知，當(dāng)錨桿長度達(dá)到某一數(shù)值后，再增加其長度，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)基本上沒有大的變化。可見L增加到一定長度后并不能提高邊坡的安全系數(shù)。在L=10～14 m時(shí)，K值較大。根據(jù)邊坡穩(wěn)定性和錨桿的經(jīng)濟(jì)性，選取錨桿長度為8～12 m為宜。

3.2 錨桿傾角的選擇

為了分析錨桿傾角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，將錨桿長度固定為12 m，網(wǎng)格面積(長×寬)為2 m×2 m，α每次遞增5°。得到K隨錨桿傾角的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 α與K的關(guān)系Fig.5 The relation between α and K

由圖5可知，在α從水平方向逐漸增大的過程中，K先增大然后減小。當(dāng)α較小時(shí)，K達(dá)到最大值;繼續(xù)增加α，K逐漸減小，減小的趨勢(shì)基本是呈線性的。可見，錨桿傾角為5°～15°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性較好。錨固角的計(jì)算公式δ=45°+φ/2－α，根據(jù)最大抗滑力錨固角和最經(jīng)濟(jì)錨固角確定錨桿的最優(yōu)化錨固角。選取錨桿鉆孔與水平方向的夾角為15°。

3.3 錨桿垂直間距的選擇

在每個(gè)邊坡模型中加入5根錨桿，錨桿傾角為15°，長度為12 m，從離坡頂0.5 m處布置第1根錨桿，垂直間距為0.5～3.5 m。得到K隨錨桿間距的變化情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 錨桿間距與K的關(guān)系Fig.6 The relation between V and K

由圖6可知，K隨著錨桿間距的增大而增大，當(dāng)錨桿間距達(dá)到一定值時(shí)，K又隨著錨桿間距的增大而減小。在V=3 m時(shí)，K取得最大值。故錨桿間距為3 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性相對(duì)較好。

3.4 錨桿材料的選擇

錨桿拉力公式為：

式中：δ為錨桿與水平面夾角，其余符號(hào)與前相同。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—94)，F(xiàn)s取 1.25計(jì)算，得錨桿拉力T=520 kN/m。公式：

其中Nt=Ti，m，n分別為錨桿間距和排數(shù)［6］。經(jīng)計(jì)算得出：單根錨桿抗拔力設(shè)計(jì)值Nt=130 kN。有錨桿抗拉驗(yàn)算公式：

式中：K為安全系數(shù);Nt為錨桿設(shè)計(jì)軸向力;As為錨筋截面積;fpkt為錨筋(鋼筋)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為455 N/mm2。

經(jīng)計(jì)算，錨桿As=457 mm2，一條25的Ⅱ級(jí)螺紋鋼筋截面積為490 mm2＞As，滿足要求。

3.5 錨桿支護(hù)參數(shù)選取

采用錨桿支護(hù)的方案，可有效控制邊坡土體變形，以確保邊坡穩(wěn)定，滿足邊坡安全的要求。根據(jù)錨桿支護(hù)的合理性和經(jīng)濟(jì)型，選取錨桿支護(hù)參數(shù)為：長度L=12 m、傾角 α =15°、間距V=3 m、直徑D=25 mm。

4 支護(hù)后邊坡穩(wěn)定性分析及監(jiān)測(cè)

4.1 安全系數(shù)分析

邊坡支護(hù)后對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，計(jì)算按照平面應(yīng)變問題處理，土體用平面單元plane2模擬，錨桿用梁單元beam3單元模擬。模型計(jì)算范圍為60 m(長)×30 m(高)，邊界條件：左右兩側(cè)水平約束，下部豎向約束，上部邊界為自由邊界［7］。屈服準(zhǔn)則：采用Drucker－prager屈服準(zhǔn)則。鋼筋彈性模量2.0×105MPa，抗拉強(qiáng)度310 MPa。用拉格朗日差分法進(jìn)行數(shù)值分析，模型中加上錨桿時(shí)，輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得安全系數(shù)K=1.4。K＞1.25，故支護(hù)后的邊坡是穩(wěn)定的。

4.2 邊坡監(jiān)測(cè)

該邊坡支護(hù)工程施工結(jié)束后對(duì)邊坡進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。邊坡監(jiān)測(cè)采用位移監(jiān)測(cè)，選取了3個(gè)位置重要點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中1、3號(hào)點(diǎn)位于邊坡兩側(cè)坡腰，2號(hào)點(diǎn)位于坡頂。其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2(單位mm)。

表2 位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Displacement monitoring data

3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移沉降量如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移沉降量Fig.7 Displacement settlement monitoring points

經(jīng)連續(xù)的位移和沉降觀測(cè)，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和沉降量變化曲線可知，該邊坡支護(hù)后位移和沉降變化量較小，邊坡穩(wěn)定性較高。

5 結(jié)語

本文通過工程實(shí)例，運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值分析法分析了不同錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得出錨桿的最優(yōu)支護(hù)參數(shù)。通過對(duì)邊坡支護(hù)前后穩(wěn)定性的分析，證明了這種方案的可行性?？梢娡ㄟ^優(yōu)化設(shè)計(jì)選取合適錨桿長度、傾角、間距和直徑等參數(shù)不僅能提高邊坡穩(wěn)定性，而且節(jié)約了工程材料、降低了施工成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在邊坡支護(hù)中可推廣應(yīng)用［8］。

［1］中國巖土錨固工程協(xié)會(huì).巖土錨固新技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］陳強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨桿在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2003(1)：13 －14.

［3］ 林宗元.巖土工程治理手冊(cè)［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［4］鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(19)：3 381－3 388.

［5］彭文祥，趙明華，等.基于拉格朗日差分法的全長注漿錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，37(5)：1 002 －1 007.

［6］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì).土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.

［7］朱宗明.FLAC在邊坡整治工程中的應(yīng)用［J］.廣州建筑，2003(4)：40－42.

［8］中國巖土錨固工程協(xié)會(huì).巖土錨固工程技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，1996.

Application of Parameter Optimization of Anchor Bolt on Slope Reinforcement during Excavation

ZHANG Liangfa
(Yichang Brigade of Geological Exploration in Hubei Province，Yichang，Hubei443100)

With an engineering example，the numerical models were founded by the finite－ difference method.Using FLAC for calculating on the safety factors of the slope，each support parameter of anchor bolts is changed，the influence of the parameters is analyzed in order to choose the appropriate ones.Then the mathematical methods and finitedifference method are adopted to study the slope stability before and after the support.The results of monitoring show that the parameter determination is rationality.

slope support;parameters of anchor bolts;slope stability;safety factor

TU753.8

A

1671－1211(2011)03－0248－04

2011－03－31;改回日期：2011－05－24

張良發(fā) (1969－)，男，高級(jí)工程師，地質(zhì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)專業(yè)，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查設(shè)計(jì)及技術(shù)質(zhì)量管理工作。E － mail：172646987@qq.com

潘 瀟)