土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性與錨桿支護(hù)計(jì)算分析

汪元鋒

(湖南交通國(guó)際經(jīng)濟(jì)工程合作公司，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

0 引言

在公路修建過(guò)程中，難免會(huì)遇到開(kāi)挖路塹的狀況，堅(jiān)固的巖質(zhì)邊坡其穩(wěn)定性較好，在設(shè)計(jì)與施工中可以采用較陡的坡度，從而減少開(kāi)挖施工所產(chǎn)生的土方量，也可以較少采用支護(hù)手段，節(jié)約工程成本［1－3］。但當(dāng)?shù)缆方ㄔO(shè)中需要采用較高土質(zhì)邊坡時(shí)，邊坡穩(wěn)定性則是工程人員需要考慮的重要問(wèn)題。

針對(duì)土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性與支護(hù)問(wèn)題，已有大量學(xué)者與工程人員進(jìn)行了研究。賈東遠(yuǎn)［4］等對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，但其理論與分析方法不宜用于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析;陳波［5］等針對(duì)在凍融循環(huán)作用下的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與融雪深度進(jìn)行了研究，但針對(duì)南方較少出現(xiàn)凍融循環(huán)現(xiàn)象的土質(zhì)邊坡并不適用;廖小平［6］根據(jù)邊坡的不同類(lèi)別與不同的邊坡滑移方式分析了類(lèi)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與破壞形式，并闡述了其理論基礎(chǔ)，但并沒(méi)有針對(duì)某一算例進(jìn)行定量分析，對(duì)實(shí)際施工具有較少的借鑒意義。

針對(duì)以上不足，本文基于Morgenstern-Price 邊坡穩(wěn)定性分析方法，采用Geostudio 巖土工程分析軟件對(duì)某土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析，對(duì)實(shí)際施工具有一定的參考價(jià)值。

1 建立土質(zhì)路塹邊坡模型

對(duì)某高速路段土質(zhì)路塹建立計(jì)算模型，路塹采用2 級(jí)邊坡，每一級(jí)邊坡高度均為10 m，坡率均為1∶1，路塹剖面圖如圖1所示，其下部為基巖采用基巖模型，即強(qiáng)度為無(wú)限大，邊坡滑動(dòng)面無(wú)法穿過(guò)基巖，殘積土與坡積土均采用Mohr-Coulomb 模型，其各項(xiàng)物理參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 某土質(zhì)路塹邊坡計(jì)算模型

表1 邊坡土體各項(xiàng)物理參數(shù)

在本文計(jì)算中不考慮孔隙水的影響，滑動(dòng)體從左到右共劃分為30 個(gè)土條，編為1～30 號(hào)。計(jì)算迭代次數(shù)最大為2 000 次，迭代誤差小于0.01%則認(rèn)為達(dá)到收斂，滑動(dòng)面與土條形狀由系統(tǒng)自動(dòng)選取。

2 原始邊坡穩(wěn)定性分析

本文采用Morgenstern-Price 法對(duì)算例進(jìn)行穩(wěn)定性分析。由于簡(jiǎn)化Bishop 法并沒(méi)有考慮土條與土條之間的豎向摩擦力，故采用簡(jiǎn)化Bishop 法計(jì)算時(shí)安全系數(shù)偏大，邊坡安全儲(chǔ)備較小，不利于工程安全。而Morgenstern-Price 法在簡(jiǎn)化Bishop 法的基礎(chǔ)上考慮了土條之間的豎向作用力，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

原始土質(zhì)路塹邊坡潛在滑動(dòng)面如圖2所示，邊坡安全系數(shù)為1.20，根據(jù)規(guī)范［7］可知此邊坡穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行支護(hù)。

圖2 原始路塹邊坡潛在滑動(dòng)體示意圖

各土條底面抗剪力分布如圖3所示，由此圖可見(jiàn)，滑動(dòng)體左上側(cè)土條的抗剪力明顯較小，這是由于上部土條較短，土條自身重力較小，其土體并沒(méi)有發(fā)揮較大的抗剪作用，而中部土條較長(zhǎng)，土條自身重力較大，在內(nèi)摩擦角相同的情況下，土體抗剪能力明顯提高。由圖4中可看出典型土條受力狀態(tài)。

圖3 原始路塹邊坡土條抗剪強(qiáng)度分布圖

圖4 原始路塹典型土條受力圖(單位:kPa)

3 錨桿加固后邊坡穩(wěn)定性分析

在土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性不足時(shí)可采用錨桿支護(hù)的方法提高其安全系數(shù)。設(shè)置錨桿位置如圖5所示，錨桿沿道路方向間距設(shè)置為1 m，錨桿總長(zhǎng)8.5 m，錨固段為1 m，錨桿直徑為0.15 m，錨固角度與水平線呈45°，錨固段與土的摩擦力為106 kPa，錨桿可抵抗拉應(yīng)力為200 kPa，抗剪應(yīng)力為100 kPa，錨固安全系數(shù)與抗剪安全系數(shù)均為1.1。設(shè)置錨桿后邊坡潛在滑動(dòng)面如圖5所示，邊坡安全系數(shù)為1.42。對(duì)比未設(shè)置錨桿的邊坡，可見(jiàn)設(shè)置錨桿后邊坡潛在破裂面明顯后移，滑動(dòng)體體積明顯增大，而調(diào)動(dòng)滑動(dòng)體所需要的力也進(jìn)一步增大，從而提高邊坡穩(wěn)定性。

圖5 錨固后邊坡潛在滑動(dòng)體示意圖

根據(jù)圖6所示可知，在設(shè)置錨桿后，5～10 號(hào)土條底部抗剪能力明顯提高，這是由于在設(shè)置錨桿后，潛在滑動(dòng)體體積增大，土條高度增加，對(duì)滑動(dòng)面的壓力也同時(shí)增加，由于在Mohr-Coulomb 理論中抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力成正比，所以增加正應(yīng)力可以更好地發(fā)揮土體的抗剪能力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。設(shè)置錨桿后典型條塊受力狀態(tài)如圖7所示，可見(jiàn)土條底面的正應(yīng)力由原有的161.04 kPa 提高為289.75 kPa，抗剪能力由原有的82.48 kPa 提高至125.81 kPa。

圖6 錨固后邊坡土條抗剪強(qiáng)度分布圖

圖7 錨固后邊坡典型土條受力圖(單位:kPa)

4 結(jié)論

通過(guò)Morgenstern-Price 邊坡穩(wěn)定性定分析方法，并采用Geostudio 巖土工程分析軟件對(duì)某土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到未加固的土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行一定的支護(hù)處理。

通過(guò)土條抗剪強(qiáng)度分布圖得出滑動(dòng)體土條抗剪強(qiáng)度為兩端小中間大的分布特征。通過(guò)計(jì)算得出對(duì)于文中所給路塹邊坡可采用錨桿支護(hù)手段進(jìn)行支護(hù)，其邊坡安全系數(shù)從1.2 提高至1.45，有效保證了邊坡安全。

采用錨桿處理后的邊坡潛在滑動(dòng)面向內(nèi)移動(dòng)，滑動(dòng)體體積增大，重力增加，可以更好地發(fā)揮土體的抗剪強(qiáng)度。

［1］趙建軍.公路邊坡穩(wěn)定性快速評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2007.

［2］丁嗣豐.錨桿支護(hù)技術(shù)在高速公路邊坡處理中的應(yīng)用［J］.科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2006(5):42 －43.

［3］劉志杰.高邊坡錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)及計(jì)算問(wèn)題研究［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012(11):107 －109.

［4］賈東遠(yuǎn)，陰 可，李艷華.巖石邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］.地下空間，2004(2):250 －255.

［5］陳 波，高 偉，徐 明.土質(zhì)路塹邊坡凍融滑塌機(jī)理及穩(wěn)定性分析［J］.黑龍江交通科技，2008(2):65 －66.

［6］廖小平.類(lèi)土質(zhì)路塹邊坡變形破壞類(lèi)型及其穩(wěn)定性分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003(S2):2765 －2772.

［7］JTG D30—2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.