婁新高速復(fù)雜地質(zhì)邊坡治理研究及穩(wěn)定性分析＊

彭富強，袁昕，袁航

(1．湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院巖土工程材料研究所，湖南長沙410132;2．湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南永順416700)

邊坡指地殼表部一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，是坡面、坡頂及其下部一定深度坡體的總稱。近年來，由于邊坡巖土工程地質(zhì)的復(fù)雜性，單一的坡面防護形式難以滿足設(shè)計需要，因此，要針對巖性大致相同的路基邊坡進行專題研究，其中炭質(zhì)泥巖就是比較復(fù)雜而又典型的工程地質(zhì)，其邊坡防治需進行專題研究。目前，針對炭質(zhì)泥巖這一特殊工程地質(zhì)條件的邊坡防護研究較少，只是就單一工程項目的炭質(zhì)泥巖邊坡進行一定研究［1－3］。本文以婁新高速為依托，研究婁底炭質(zhì)泥巖邊坡的巖土特性及工程特性，根據(jù)炭質(zhì)泥巖邊坡穩(wěn)定性的主要因素和邊坡變形破壞模式，研究不同的炭質(zhì)泥巖邊坡的防治技術(shù)［4－6］。對婁新高速 K22+200～K22+400路段右側(cè)的典型炭質(zhì)泥巖夾層邊坡進行穩(wěn)定性分析，并找出適合該邊坡的防護措施。

1 工程概況

1．1 工程環(huán)境狀況

婁新高速公路K22+200～K22+400段右側(cè)邊坡，為一路塹高邊坡(見圖1)，在2010年5月高速公路切坡之后，由于未及時支護，并且未進行相應(yīng)的地質(zhì)勘察，發(fā)生了幾次比較大的滑坡，后緣和滑坡體表層張性裂縫發(fā)育較嚴(yán)重。

依據(jù)后續(xù)工程地質(zhì)勘探及調(diào)查訪問，該邊坡下伏巖層為強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，該泥巖具有遇水后軟化、粘聚力大大降低的性質(zhì)，從而導(dǎo)致邊坡在幾次暴雨后發(fā)生深層滑坡，且仍存在向下蠕滑趨勢，很可能加速發(fā)展，甚至再次發(fā)生整體下滑。

圖1 婁新高速公路K22+200－K22+400段右側(cè)滑坡全貌Fig．1 Landslide on the right side of k22+200—K22+400 Lou－Xin expressway

1．2 地層巖性

根據(jù)2次地質(zhì)勘察成果，邊坡地層巖性自上而下分別為:

(1)第四系殘積土;

(2)全風(fēng)化泥灰?guī)r夾碳質(zhì)泥灰?guī)r(C2h)，厚度為1．40～8．40 m，平均揭露厚度為 3．83 m;

(3)中風(fēng)化泥灰?guī)r(C2h):?。泻窠Y(jié)構(gòu)，呈夾層局部互層產(chǎn)出，巖質(zhì)較軟，裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較堅硬，巖芯較完整，巖芯表面無溶蝕裂縫現(xiàn)象;

(4)地層產(chǎn)狀為250°∠59°，與路面斜交，總體上對邊坡有利。

2 治理措施研究

2．1 加固設(shè)計原則

(1)采用臺階式邊坡，加固原則以穩(wěn)定為本，加固為主，排水、防護并重，一次根治、不留隱患綜合治理，保證施工過程安全和通車后長期穩(wěn)定。

(2)削坡、減載條件下能確保邊坡穩(wěn)定時，優(yōu)先考慮采用坡率法和減載法結(jié)合處理邊坡，但存在土體順著土巖分界面滑動的可能時，必須考慮坡腳增設(shè)抗滑措施，消坡和減載作為輔助措施使用。

(3)根據(jù)邊坡高度、下滑推力或者土壓力、剪切破壞力的大小，選用坡腳加固措施，當(dāng)設(shè)置坡腳抗滑樁時，樁間措施按地質(zhì)、地形及水文條件綜合考慮灌漿、擋土墻、樁板墻等穩(wěn)固措施［7－8］。

2．2 加固設(shè)計措施

結(jié)合本工程工點，考慮到邊坡較高，坡面殘積土較深厚，且下伏炭質(zhì)泥巖遇水軟化，且發(fā)生幾次大的滑坡，可知土體易發(fā)生深層滑動，故清方和減載不能完全根治邊坡的穩(wěn)定，擬采取以下措施綜合治理該邊坡:“錨桿+抗滑樁+灌漿”。

(1)為節(jié)省工程投資，采用清方減載、放緩破率的方案，樁后土體實行清方卸載措施，每6 m高度分級刷坡，坡率放緩一級，采用1:1．75。

(2)由于邊坡上覆土層為殘積膨脹土，遇水后膨脹，在重力的作用下易發(fā)生表層滑坡，因此，采用深層錨桿對邊坡表層進行加固，錨桿的設(shè)計長度為錨固端深入邊坡內(nèi)部穩(wěn)定持力層2～3 m內(nèi)為止。

(3)為防止邊坡發(fā)生深層滑動，在坡腳布置一排尺寸為2 m×1．5 m、間距為2 m，深度為15 m的抗滑樁，樁端深入持力層，抗滑樁懸臂最大高度不超過8．0 m。

(4)為防止炭質(zhì)泥巖遇水后軟化，粘聚力降低導(dǎo)致邊坡承載力不足發(fā)生深層滑移，故采用灌注水泥漿改良邊坡下層炭質(zhì)泥巖軟弱夾層，在抗滑樁前面布置五排灌漿孔，灌漿孔間距1．5 m，采用梅花式布孔，灌注水泥漿液，形成復(fù)合地基共同抵抗邊坡下滑推力。

3 邊坡有限元建模分析

3．1 模型的建立

采用工程實例中邊坡加固設(shè)計方案為模型基礎(chǔ)進行有限元數(shù)值分析，按照坡腳設(shè)抗滑樁、坡面設(shè)錨桿框架梁進行加固后的情況建立有限元模型。以典型斷面K22+360邊坡加固設(shè)計剖面為基礎(chǔ)建立二維模型，其模型如圖2所示。

圖2 模型幾何形狀圖Fig．2 The geometry figure of model

表1 模型的材料參數(shù)Table 1 The Material parameters of model

模型底邊是基巖面采用完全約束，左右邊界采用水平向約束，樁端采用自由約束。錨桿結(jié)構(gòu)采用平面梁單元，其他結(jié)構(gòu)采用平面四節(jié)點四邊形減縮性積分單元(CPE4R)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)劃分見圖 3［9］。

圖3 模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig．3 The network structure of model

3．2 計算采用的材料屈服準(zhǔn)則

本次數(shù)值模擬采用的是Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則，它比較適用于計算地基極限承載力，在巖土工程中應(yīng)用非常廣泛，Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則表達式:

以主應(yīng)力表示屈服條件為

以不變量可表示為

式中:－π/6≤θσ≤π/6。

由莫爾應(yīng)力圓可知:

由上可知，按Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則求得的臨界抗剪強度(τ)要小于最大剪應(yīng)力破壞時的抗剪強度(τmax)，Mohr－Coulomb準(zhǔn)則較 Tresca屈服準(zhǔn)則先進入屈服階段。

由于巖土材料屬于粒狀體材料，主要依靠顆粒間的摩擦承受荷載，其變形和破壞受摩擦的影響，由剪應(yīng)力與垂直應(yīng)力的共同作用使粒子間克服摩擦產(chǎn)生相對滑移破壞，因此，Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則對巖土體較實用。Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則破裂面與滑移線的關(guān)系見圖4。

圖4 Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則破裂面與滑移線的關(guān)系Fig．4 Relations between failure surface and slip curves of Mohr－Coulomb yield criterion

3．3 有限元模型的分析

3．3．1 土體變形分析

總位移云圖和總位移矢量圖分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出:加固后土層的滑動范圍較小，整體穩(wěn)定性滿足要求，土體沒有形成滑動面，最大位移發(fā)生在坡頂處約為9 cm。

圖5 總位移云圖Fig．5 The contours of total displacement

圖6 總位移矢量圖Fig．6 The vector of total displacement

圖7 水平位移云圖Fig．7 The contours of horizontal displacement

水平位移總圖見圖7。由圖7可以看出:在水平方向，土體沒有形成滑動面，也未形成貫穿的剪切破壞面，第二級邊坡的位移較大，最大位移發(fā)生在二級邊坡上部約為4．5 cm。

圖8 豎直位移云圖Fig．8 The contours of vertical displacement

垂直位移云圖見圖8。由圖8可以看出:在豎直方向自重應(yīng)力的作用下，大部分巖體和樁在豎直方向的位移為0 cm，滿足地應(yīng)力平衡后的狀態(tài)，土體位移較大處發(fā)生在坡頂?shù)娜遣课?，最大位移為?0 mm(以豎直向上為正方向)。

圖9 土體進入塑性區(qū)圖Fig．9 The figure of soil into the plastic

土體進入塑性區(qū)圖見圖9。由圖9可以看出:土體進入塑性區(qū)的范圍集中在坡頂處，主要是重力作用引起的，未發(fā)生貫穿樁體和錨桿的塑性區(qū)，說明邊坡整體穩(wěn)定性良好，滿足設(shè)計要求。

3．3．2 樁體變形圖

圖10 樁體位移云圖與位移矢量圖Fig．10 The displacement contours and displacement vector of the pile

樁體位移云圖與位移矢量圖見圖10。由圖10可以看出:樁頂最大位移為18 mm，錨固段與懸臂端分界處位移為7 mm，樁承受的最大總應(yīng)力是2 MPa，這與理論計算在考慮1．15的安全儲備后，樁頂最大位移為26 mm，分界處位移8 mm相差不大，滿足抗滑樁樁頂位移不大于8 cm以外，錨固段與懸臂段分界處水平位移不宜大于10 mm，且側(cè)壁應(yīng)力不應(yīng)大于地層的橫向容許承載力的要求。

3．4 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)圖3模型，坡腳設(shè)抗滑樁、坡面設(shè)錨桿加固后，按照ABAQUS中強度折減的實現(xiàn)方法，將土的和進行折減(場變量為1，折減系數(shù)0．5≤≤3)，各材料參數(shù)除c和φ按照場變量線性變化外，其余參數(shù)嚴(yán)格按照表1取值，分析增加折減步驟(reduce)共3步，模型計算完成后進行結(jié)果分析。

圖11 邊坡特征點位移U1隨折減系數(shù)FV1的變化關(guān)系Fig．11 The relationship of the slope feature points displacement U1between with reduction factor FV1

圖12 邊坡特征點Fig．12 The slope feature points

從圖11所示的位移拐點的變化可以清楚判斷得出的安全系數(shù)Fs=1．6。通過在坡體內(nèi)布置特征點，可發(fā)現(xiàn)這些點的位移隨折減系數(shù)的增大而存在突變現(xiàn)象，當(dāng)邊坡折減系數(shù)達到1．6的時候，特征點7，8，10和12的位移明顯發(fā)生突變，因而以此作為失穩(wěn)判據(jù)，判斷邊坡失穩(wěn)的過程。邊坡特征見圖12。

4 邊坡穩(wěn)定的變形監(jiān)測

根據(jù)邊坡滑坡情況，在邊坡上共布設(shè)了12個監(jiān)測點，監(jiān)測點位置位于邊坡位移特征點(圖12)，觀測精度按二級中等精度要求，每次測量前對全站儀進行檢驗，監(jiān)測位移變化與有限元數(shù)值分析計算結(jié)果對比如圖13所示。

圖13 特征點1的累計水平位移值隨時間變化曲線Fig．13 The Curve of accumulated horizontal displacement value of the feature points 1 versus time

圖14 特征點2的累計水平位移值隨時間變化曲線Fig．14 The Curve of accumulated horizontal displacement value of the feature points 2 versus time

特征點2的累計水平位移值隨時間變化曲線見圖14。通過1個半月的持續(xù)監(jiān)測，在施工過程中，邊坡表層位移變化較大，在施工結(jié)束以后，邊坡表層位移隨時間逐漸減小，邊坡變形得到了控制，達到了加固的效果。同時，通過對比有限元分析結(jié)果中特征點累計水平位移與實際位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，有限元分析結(jié)果的規(guī)律基本上與實際位移一致，驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

(1)采用“錨桿+抗滑樁+灌漿”對婁新高速公路K22+200～K22+400段右側(cè)炭質(zhì)泥巖夾層邊坡進行加固治理，通過治理后的監(jiān)測結(jié)果表面，該治理方案能達到很好的加固效果，可以為其他類似工程提供借鑒。

(2)采用ABAQUS有限元分析軟件對邊坡加固措施的可靠性進行分析，通過坡體與樁的各種位移云圖可以發(fā)現(xiàn)該治理措施能有效地遏制邊坡的下滑趨勢，并且依據(jù)邊坡特征點的位移監(jiān)測，可以判斷出該邊坡加固后的穩(wěn)定安全系數(shù)為1．6。

(3)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，采用“錨桿+抗滑樁+灌漿”加固邊坡后，邊坡的位移逐漸減小，未發(fā)生失穩(wěn)或大滑移現(xiàn)象。通過對比有限元分析特征點的位移監(jiān)測與邊坡實際位移監(jiān)測值，驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。

(4)由于巖土是一種非常復(fù)雜的材料，單純的理論計算和實驗分析常常難以準(zhǔn)確的解決實際問題，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況和土質(zhì)特征，借鑒類似經(jīng)驗，綜合考慮選取合適的處理方案。

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