錨桿與抗滑樁在高速公路高邊坡加固中的應(yīng)用效果比選分析

王素群，陳澤華

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 長沙　410004)

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錨桿與抗滑樁在高速公路高邊坡加固中的應(yīng)用效果比選分析

王素群，陳澤華

(湖南省湘筑工程有限公司，湖南 長沙410004)

摘要：根據(jù)M高速公路工程，分別對錨桿加固和抗滑加固高邊坡支護(hù)效應(yīng)和數(shù)值分析進(jìn)行了探討，從加固效果和經(jīng)濟(jì)效益分析了兩者的加固效果的對比。

關(guān)鍵詞：錨桿加固；抗滑加固；高邊坡

1工程概況

依據(jù)M地區(qū)的地質(zhì)狀況和地貌特征，以M高速公路為依托，對高度大于10 m的巖質(zhì)邊坡逐一翔實(shí)排查，詳細(xì)的給予評價(jià)和分析。M高速公路沿線高度大于10 m巖質(zhì)邊坡共有46處。沿線邊坡中，巖層節(jié)理呈陡傾斜交、陡傾順層、緩傾斜交、緩傾順層產(chǎn)狀的數(shù)量相對較多，比例分別占到調(diào)查總數(shù)的 19%、15%、17%、17%；巖層節(jié)理呈斜交、陡傾切層產(chǎn)狀的數(shù)量相對居中，比例分別占到 11%、7%；節(jié)理呈陡傾、陡傾反傾、緩傾切層、反傾、順層產(chǎn)狀的數(shù)量相對最小，比例分別為 2%、4%、2%、4%、2%。根據(jù)調(diào)查的數(shù)據(jù)得出M地區(qū)邊坡大部分比較陡，產(chǎn)狀呈斜交、順層產(chǎn)狀的邊坡較多。

2錨桿加固高邊坡支護(hù)效應(yīng)和數(shù)值分析研究

2.1錨桿支護(hù)效應(yīng)分析

對于含軟弱夾層的邊坡，當(dāng)其潛在的紅層滑移面的下滑力超過巖體層間自身的抗滑力時(shí)，軟弱夾層及其以上部分巖體將會(huì)沿著滑動(dòng)面發(fā)生剪切和滑移。在整塊巖土體中，滑移多發(fā)生在節(jié)理裂隙發(fā)育的軟弱夾層。而為了使其具有良好的穩(wěn)定性，一般情況下采用的方法是通過大規(guī)模的削坡減載而達(dá)到能夠保持較好穩(wěn)定性的邊坡坡角，然后再設(shè)置擋墻等支擋結(jié)構(gòu)。但一般只采用單一的削坡減載或設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)物通常情況下是不經(jīng)濟(jì)或達(dá)不到期望的加固效果的，這種情形下可以嘗試采用錨桿(索)加固。含有紅層的邊坡模型安全系數(shù)較低，部分狀況的安全系數(shù)已低于1，自重就足以導(dǎo)致失穩(wěn)，并且地震作用下軟巖至坡面部分的坡體定會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)且伴隨較大的位移，這說明大多數(shù)含軟弱夾層的邊坡依靠自身不能維持穩(wěn)定，滑動(dòng)破壞的危險(xiǎn)很大，因此必須對其薄弱部位進(jìn)行錨索加固。

Midas/GTS 中錨索采用幾何和材料兩方面的參數(shù)來確定。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)定為兩節(jié)點(diǎn)之間具有截面面積及材料特性的直線段，兩節(jié)點(diǎn)分別為自由端和錨固端。錨固端用梁單元模擬，考慮其錨固作用；自由端用桁架單元模擬，由于自由端主要是兩端受力，因此桁架單元只需一個(gè)單元，預(yù)應(yīng)力加在桁架單元上，取拉應(yīng)力為負(fù)，壓應(yīng)力為正。

2.2錨桿加固數(shù)值分析

預(yù)應(yīng)力錨桿的選取一般應(yīng)考慮以下五個(gè)方面：桿件的幾何和材料參數(shù)、施加的預(yù)應(yīng)力大小、桿件長度、布設(shè)間距以及錨固角度的選擇。

通過自重應(yīng)力作用下的安全系數(shù)、地震荷載下的位移峰值和錨索內(nèi)力等3個(gè)方面的對比分析，來判斷施作錨索前后含紅層軟巖邊坡的穩(wěn)定性，進(jìn)而推出錨索的支護(hù)效果。

(1)安全系數(shù)

通過分析計(jì)算可知，得到加固后M區(qū)含紅層的邊坡在自重應(yīng)力作用下的安全系數(shù)為 1.52，而未施加錨索的安全系數(shù)為 1.04。對比分析可得，安全系數(shù)在錨索加固之后能明顯提高，穩(wěn)定性得到顯著增強(qiáng)，可以達(dá)到工程加固的目的。

(2)地震力作用下的位移

圖1中的 a 和 b 分別為施作錨索前后邊坡水平方向的位移云圖。

圖 a　未加固的位移云圖　　圖 b　加固后的位移云圖圖1　加固前后水平向位移圖

從圖1中得出，施作錨索后紅層至坡面的最大位移帶和水平位移峰值都顯著減少；施作錨索前邊坡水平向位移峰值為 1.00 cm，施作錨索加固后位移峰值減少到0.54 cm。

圖2中的a和b分別為施作錨索前后邊坡豎直向的位移云圖。

圖 a　未加固的位移云圖　　圖 b　加固后的位移云圖圖2　加固前后豎直向位移圖

從圖2中可以看出，加固后與無加固措施時(shí)對比，錨索限制了邊坡的橫向位移發(fā)展，紅層至坡面的位移峰值也相對減少；無加固措施時(shí)紅層至坡面的滑體位移大都處于0.63～1.11 cm 內(nèi)，施作錨索后位移減少到0.32～0.84 cm，峰值從1.11 cm減小至0.84 cm，并且可以明顯的得到加固后地震波輸出的能量值不會(huì)造成坡體發(fā)生滑移，能量向邊坡下部消散和轉(zhuǎn)移，破壞區(qū)域向也隨之下部轉(zhuǎn)移和發(fā)展，所以錨索支護(hù)效果相當(dāng)?shù)拿黠@。

(3)錨索內(nèi)力分析

錨索錨固端軸力越靠近坡體內(nèi)部越大，基本呈線性梯度增加，其中最大值為 42.2 kN。

根據(jù)以上三方面的數(shù)據(jù)綜合分析，施作錨索可以鎖住含紅層軟巖夾層邊坡的下滑趨勢，安全系數(shù)得到明顯提高，位移峰值和滑動(dòng)面受地震作用的影響均明顯減小。由此可見，施作錨索來加固邊坡是有效的、合理的。

3抗滑樁加固高邊坡支護(hù)效應(yīng)和數(shù)值分析研究

3.1抗滑樁支護(hù)效應(yīng)分析

在Midas/GTS 中抗滑樁結(jié)構(gòu)單元是由幾何力學(xué)參數(shù)、材料參數(shù)和接觸特性共同定義的。同錨索類似，兩節(jié)點(diǎn)間的一條直線段表示一個(gè)樁單元，樁單元構(gòu)件具有一樣的橫截面參數(shù)。關(guān)于接觸特性，除了具有梁單元的構(gòu)件特性外，還提供了與實(shí)體單元法向與切向的摩擦作用，為比較常用的結(jié)構(gòu)單元。

樁與巖體單元之間的作用是通過耦合彈簧來實(shí)現(xiàn)的。耦合彈簧為非線性、可滑動(dòng)的連接體，能夠在樁身節(jié)點(diǎn)和巖體單元節(jié)點(diǎn)之間傳遞力和彎矩。切向彈簧的作用和錨索的切向作用機(jī)理是相同的，法向彈簧可以模擬法向荷載的作用以及樁身與實(shí)體單元之間縫隙的形成，還可以模擬樁周土體對樁的擠壓作用。

3.2抗滑樁支護(hù)數(shù)值分析

(1)安全系數(shù)

通過分析計(jì)算可知，加固后的抗滑樁含滇西紅層邊坡在自重應(yīng)力作用下的安全系數(shù)為 1.68，而未加固時(shí)的安全系數(shù)為 1.04。對比分析可得，抗滑樁加固后邊坡的安全系數(shù)顯著提高，邊坡的穩(wěn)定性得到增加。

(2)地震力作用下的位移

對比分析易知，未采取加固措施的邊坡產(chǎn)生了十分明顯的位移帶，水平方向位移峰值為1.00 cm，施加抗滑樁加固后位移峰值為0.89 cm；并且豎直方向未采取加固措施時(shí)位移峰值為1.11 cm，施加加固措施抗滑樁后峰值減小到0.93 cm，且滑移帶明顯減少，破壞區(qū)明顯減小，但位移峰值減小不明顯；究其原因，最大位移位于坡頂面附近，而抗滑樁布置位置與坡頂面有一定的距離，抗滑樁阻止了滑坡體在水平地震力作用下的滑移，但對坡頂軟弱面的加固效果不是很大。

(3)抗滑樁內(nèi)力分析

從坡頂向下，第一根抗滑樁剪力明顯大于第二根，樁的剪力呈梯形變化，越靠近紅層夾層其剪力越大，且在臨界處達(dá)到最大，峰值為586.5 kN。

4加固效果比選

4.1加固效果分析

(1)自重應(yīng)力作用下的安全系數(shù)

計(jì)算得到未支護(hù)及不同支護(hù)方式下邊坡的安全系數(shù)如表1。

表1　不同加固方式下的安全系數(shù)

通過自重應(yīng)力下邊坡的安全系數(shù)可知，通過錨索或抗滑樁加固都能增加邊坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)得到顯著提升。與錨索相比，抗滑樁提供的抗力能更加有效地阻止滑坡體的下滑趨勢，對維持自重下的穩(wěn)定性，提高邊坡安全系數(shù)方面效果比錨索顯著。

(2)地震荷載作用下的位移變化

表2　不同支護(hù)措施下的位移峰值

從水平地震力作用下邊坡的位移角度來對比分析，錨索加固后巖質(zhì)邊坡的位移明顯減少，特別是邊坡的水平位移，峰值有顯著的下降。而抗滑樁對巖質(zhì)邊坡的加固效果不明顯，雖然能有效減少滑移帶，但位移峰值減小不大，原因在于抗滑樁的布置沒有錨桿靈活，只能布置于坡度較平緩的滑坡體下部，布置在位移峰值區(qū)效果不樂觀，并且抗滑樁施工方式對邊坡的擾動(dòng)較大，因此對含滇西紅層夾層的巖質(zhì)邊坡的抗震穩(wěn)定性加固效果不夠好。所以在地震高發(fā)區(qū)，應(yīng)多采用錨桿支護(hù)來提高巖質(zhì)邊坡的抗震穩(wěn)定性。

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

通過采用交通部 2013 年頒布的公路工程預(yù)算定額基價(jià)計(jì)算，容易得到錨桿和抗滑樁的工程量。錨索與抗滑樁的費(fèi)用計(jì)算如下。

錨索： 6 ×300+20.12×600+2.64×2 430+9.84×1 280=32 930.4元

抗滑樁： 49. 24× 1 280+44.8×600+9.18×2 430=112 214.6元

由工程量及費(fèi)用的計(jì)算可知：所選模型施加六根錨索共計(jì) 32 930.4 元，施加兩根16 m長的抗滑樁則需要近112 214.6 元。而從加固效果的對比得到，兩種加固措施均能提高邊坡的抗震穩(wěn)定性，但從地震作用下的位移峰值角度來看，錨索的加固效果更好。因此無論從加固效果的角度還是經(jīng)濟(jì)性的角度來看，錨索都是更優(yōu)的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京：地震出版社，2006.

[2]董建華，朱彥鵬，馬巍.框架預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算方法研究[J].工程力學(xué)，2013，30(5).

Comparison analysis on the effect of anchor and slide-resistant pileon strengthening expressway high slope

WANG Su-qun, CHEN Ze-hua

(Hunan Xiangzhu Engineering Co.,Ltd., Changsha,Hunan 410004,China)

Abstract:Based on the M expressway, the effect and numerical analysis of anchor strengthening and skid resistance strengthening on high slope are discussed. Thus the two kinds of strengthening effect are compared from strengthening and economic angle.

Keywords:anchor strengthening; skid resistance strengthening; high slope

中圖分類號：U418.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)01-0007-03

作者簡介：王素群(1981-)，女，湖南邵陽人，本科，研究方向：公路與橋梁施工控制與現(xiàn)場管理；陳澤華(1979-)，男，湖南長沙人，本科，研究方向：公路與橋梁施工控制與現(xiàn)場管理。

收稿日期：2015-10-02