贛南高速公路邊坡玻璃鋼錨桿支護效果的數(shù)值模擬

余 科,簡文星, 樊友慶,牛國良

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074；2.江西省高速公路投資集團有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000；3.江西省交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000)

錨桿支護高速公路邊坡是一種既方便施工又經(jīng)濟實惠的邊坡加固手段，根據(jù)規(guī)范對開挖或填方邊坡進行防護設(shè)計可以很好地滿足工程需要[1]。但在我國南方降雨較多或地下水豐富的地區(qū)，工程上常采用砂漿包裹鋼筋錨桿進行支護處理，在長期支護過程中，坡體位移導(dǎo)致砂漿包裹體出現(xiàn)裂隙，進而引起地下水對鋼筋桿體的腐蝕，鋼筋腐蝕軟化后提供坡體所需承載力下降，進一步導(dǎo)致砂漿包裹體在坡體位移下破裂，最終造成砂漿包裹鋼筋錨桿失去錨固效果而引發(fā)工程事故[2-4]。針對此種情況，目前國內(nèi)外對耐腐蝕的玻璃鋼錨桿支護邊坡進行了大量的試驗研究。如黃軍等[5]通過對玻璃鋼錨桿進行拉伸和剪切性能試驗，結(jié)果表明：玻璃鋼錨桿抗拉強度介于HRB335與HRB400鋼筋之間，其破壞形態(tài)為脆性破壞，抗剪強度為抗拉強度的1/3，整體性能良好，能滿足支護需要；崔宇鵬等[6]通過玻璃鋼錨桿與水泥砂漿室內(nèi)拉拔試驗，比較了同等直徑鋼筋錨桿與水泥砂漿的握裹力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：玻璃鋼錨桿與水泥砂漿的握裹力隨錨固深度的增加而增加，且全長錨固效果優(yōu)于端頭錨固，玻璃鋼錨桿與相同條件的鋼筋錨桿相比，握裹力相接近，能夠達到支護要求；李凱雷[7]通過試驗對玻璃鋼錨桿桿體耐久性和桿體黏結(jié)耐久性進行了研究，結(jié)果表明玻璃鋼錨桿具有良好的桿體耐久性和桿體黏結(jié)耐久性性能，能滿足邊坡錨固的設(shè)計要求。

通過前人的研究成果，可以得出玻璃鋼錨桿本身的抗拉強度和抗剪強度均滿足邊坡支護的要求，同時其與砂漿包裹體之間的握裹力也能夠達到工程需求，尤其在南方特殊的環(huán)境下，玻璃鋼錨桿體的耐腐蝕特性能有效避免邊坡在長期支護過程中，由于坡體位移造成的砂漿包裹體出現(xiàn)裂隙進而導(dǎo)致的惡性循環(huán)。為了進一步在降雨較多或地下水豐富的地區(qū)推廣使用玻璃鋼錨桿，有必要對其支護邊坡的防護效果進行深入研究。為此，本文采用近些年來在巖土工程中廣泛使用的數(shù)值模擬方法[8]，以贛南安遠—定南高速公路A2標段山下深切邊坡為例，對玻璃鋼錨桿在高速公路邊坡的支護效果進行了數(shù)值模擬與分析。

1 高速公路邊坡支護的數(shù)值模擬

1. 1 某山下深切邊坡工程地質(zhì)概況

某山下深切邊坡位于贛南安遠—定南高速公路A2標YK170+480～YK170+777右側(cè)，為六級開挖邊坡。該山下深切邊坡所處區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)降雨量充沛，河流眾多。該地區(qū)地貌屬低山丘陵地貌，地勢起伏較大，平均海拔高度約445 m。

圖1 某山下深切邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section diagram of a deep slope注：①含礫粉質(zhì)黏土；②強風(fēng)化凝灰熔巖；③中風(fēng)化凝灰熔巖

該山下深切邊坡為巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡，根據(jù)鉆孔(ZK3、ZK4)揭露，其從上往下巖土體可以分為：含礫粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化凝灰熔巖和中風(fēng)化凝灰熔巖(見圖1)。①含礫粉質(zhì)黏土：成分以黏粒為主，粉、砂粒次之，含礫石為25%，巖芯呈土柱狀、土狀；②強風(fēng)化凝灰熔巖：巖體破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育；③中風(fēng)化凝灰熔巖：巖體較破碎-完整，巖質(zhì)堅硬，敲擊聲脆，塊狀構(gòu)造。

該地區(qū)地下水主要為第四系潛水和裂隙水，一般與地表水貫通、互補，地下水位隨季節(jié)變化較大。鉆探揭露地下水埋深較深，對邊坡的穩(wěn)定性無明顯影響。

1. 2 邊坡數(shù)值模型的建立

采用Ansys軟件對該邊坡進行網(wǎng)格劃分，為優(yōu)化計算時間，邊坡整體網(wǎng)格劃分采用5 m單元格；由于需要重點分析錨桿支護情況下的應(yīng)力、應(yīng)變場，則對邊坡開挖一、二級進行網(wǎng)格局部加密，采用1 m單元格；整個邊坡共劃分為1 027個單元，2 168個節(jié)點。邊坡建模約束條件為下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界，計算收斂準則為不平衡力比率(節(jié)點平均內(nèi)力與最大不平衡力的比值)[9]滿足10-5的求解要求。采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型計算邊坡整體受力狀況，并以計算是否收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。

對邊坡進行錨桿支護模擬時，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的Cable模塊對玻璃鋼錨桿的力學(xué)行為進行模擬。Cable加固單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及水泥漿特性來定義。錨桿構(gòu)件假設(shè)為兩節(jié)點之間具有相同橫截面及材料參數(shù)的直線段，且為彈塑性材料，在拉、壓中屈服，不能抵抗彎矩。錨桿與水平面夾角為20°，以間距為3 m×3 m布設(shè)在邊坡開挖一、二級，錨孔徑150 mm。注漿采用C30水泥砂漿灌漿材料。該邊坡玻璃鋼錨桿支護的數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 某山下深切邊坡玻璃鋼錨桿支護的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of bolt support for a deep slope

1. 3 計算參數(shù)的選取

該邊坡中含礫粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)參數(shù)利用室內(nèi)三軸試驗獲取[10]；強風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖的物理力學(xué)參數(shù)取自本項目工程地質(zhì)勘察報告[11]；巖土體的彈性模量和泊松比通過工程類比法[12]獲得。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 某山下深切邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

玻璃鋼錨桿的參數(shù)主要通過試驗獲取。采用萬能材料試驗機，對直徑為25 mm、長度為55 cm的玻璃鋼錨桿進行拉伸試驗，試驗中玻璃鋼錨桿一端固定，另一端被施以3 kN/s加載速率進行拉伸，直到錨桿拉拔破壞，從而確定玻璃鋼錨桿的彈性模量。試驗得到的玻璃鋼錨桿的參數(shù)詳見表2。

表2 玻璃鋼錨桿的參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2. 1 邊坡剪應(yīng)力分析

該邊坡支護前后坡體最大剪應(yīng)力分布云圖見圖3和圖4。

圖3 邊坡支護前坡體最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.3 Max shear stress cloud map of the slope before supporting

圖4 邊坡支護后坡體最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.4 Max shear stress cloud map of the slope after supporting

由圖3可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護前，最大剪應(yīng)力成層均勻地向坡體深部過渡，在邊坡坡腳處較大剪應(yīng)力(136 kPa)等值線向較小剪應(yīng)力(68 kPa)等值線呈現(xiàn)局部匯聚的現(xiàn)象，表現(xiàn)為邊坡坡腳處剪應(yīng)力集中。

由圖4可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護后，玻璃鋼錨桿的錨固作用有效地減緩了邊坡坡腳處剪應(yīng)力局部集中的現(xiàn)象，且136 kPa等值線恢復(fù)了層狀趨勢，表明整體上提高了邊坡的穩(wěn)定性。

2. 2 邊坡剪應(yīng)變分析

該邊坡支護前后坡體最大剪應(yīng)變增量分布云圖見圖5和圖6。

圖5 邊坡支護前坡體最大剪應(yīng)變增量云圖Fig.5 Max shear strain increment cloud map of the slope before supporting

由圖5可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護前，由于坡體強風(fēng)化凝灰熔巖的物理力學(xué)性質(zhì)較差以及坡體高陡的地形，使坡體最大剪應(yīng)變增量(0.197)(見圖5中紅色區(qū)域)位于強風(fēng)化層，其埋深較深，且剪應(yīng)力集中在坡腳處，若坡體發(fā)生破壞，其對公路邊坡的危害極大。

圖6 邊坡支護后最大剪應(yīng)變增量分布云圖Fig.6 Max shear strain increment cloud map of the slope after supporting

由圖6可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護后，由于錨桿與坡體內(nèi)強、中風(fēng)化層巖土體形成組合梁受力形式，使坡體最大剪應(yīng)變增量(0.197)由圖5所在區(qū)域轉(zhuǎn)移至邊坡開挖三級坡口處(見圖6中紅色區(qū)域)，且最大剪應(yīng)變增量區(qū)域變小，有效降低了坡體破壞可能對公路邊坡造成的危害。

2. 3 邊坡塑性區(qū)分析

該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護前后坡體的塑性區(qū)分布云圖見圖7和圖8。

圖7 邊坡支護前坡體塑性區(qū)分布云圖Fig.7 Plastic zone of the slope before supporting

由圖7可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護前，在邊坡坡腳處以及坡體臨空面四周的圍巖均出現(xiàn)了塑性狀態(tài)(見圖7中紅色區(qū)域)，其中邊坡開挖一、二級處塑性區(qū)較大，其余次之，并向坡體深部有一定的延伸，總體上呈“條帶狀”分布；邊坡塑性區(qū)破壞形式以剪切破壞為主，坡體平臺區(qū)域有小范圍拉伸破壞。

圖8 邊坡支護后坡體塑性區(qū)分布云圖Fig.8 Plastic zone of the slope after supporting

由圖8可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護后，邊坡塑性區(qū)破壞形式同樣以剪切破壞為主，但坡腳處塑性區(qū)明顯變少(見圖8中紅色區(qū)域)，表明采用玻璃鋼錨桿支護后，玻璃鋼錨桿通過錨固劑與圍巖的相互作用，提高了圍巖強度，有效地改善了圍巖的塑性狀態(tài)。

2. 4 玻璃鋼錨桿受力分析

該邊坡中玻璃鋼錨桿的受力分布云圖見圖9。

圖9 邊坡中玻璃鋼錨桿的受力分布云圖Fig.9 Force analysis cloud map of GFRP bolts in the slope

由圖9可見，該邊坡坡腳處的2根玻璃鋼錨桿應(yīng)力較小，對錨固邊坡未發(fā)揮作用，其余6根玻璃鋼錨桿都發(fā)揮了作用，其中錨桿最大軸力達51 kN，大部分玻璃鋼錨桿承受拉力，且在粉質(zhì)黏土層與強風(fēng)化凝灰熔巖層分界面處玻璃鋼錨桿所受的軸力最大。進一步分析圖9可知，玻璃鋼錨桿在錨固邊坡中的受力并不是均勻的，而是遵循中間大、兩端小的分布規(guī)律。對于整個邊坡而言，邊坡二級上部錨桿的受力明顯大于邊坡一級上部錨桿的受力，且邊坡一級中錨桿的最大拉力為32 kN，約為錨桿承受最大拉力的60%，錨桿承受的軸力在邊坡潛在滑動面處達到最大值，在滑動面兩側(cè)則急劇減小，說明錨桿對滑動面起到了連接縫綴的作用；邊坡一級下部2根錨桿受軸向拉力較小，這是因為此處邊坡為中風(fēng)化層，巖體物理力學(xué)性質(zhì)較好，錨桿的加固效果不明顯；邊坡二級上部錨桿的受力較大，說明錨桿提高了土層的強度和自穩(wěn)能力，對防止邊坡下滑起到了積極的作用，表明玻璃鋼錨桿錨固邊坡以維護邊坡的穩(wěn)定是切實可行的。

3 結(jié) 論

本文以贛南安遠—定南高速公路山下深切邊坡為例，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了邊坡支護前后數(shù)值模型，對玻璃鋼錨桿在該邊坡中的支護效果進行了數(shù)值模擬，并對比分析了邊坡支護前后坡體應(yīng)力、應(yīng)變以及塑性區(qū)的變化情況，得出如下結(jié)論：

(1) 玻璃鋼錨桿在邊坡支護過程中，其受力承受范圍遠遠低于其極限抗拉能力，說明采用玻璃鋼錨桿支護邊坡是可行的。

(2) 玻璃鋼錨桿在邊坡支護中起到的增韌止裂效應(yīng)以及與巖層結(jié)合形成的組合梁受力形式，能有效地減緩邊坡坡腳處剪應(yīng)力集中，并使?jié)撛诨瑒用嬖谄麦w內(nèi)上移，起到了穩(wěn)固邊坡的作用。

(3) 根據(jù)玻璃鋼錨桿受力分析可知，在邊坡一級下部的2根錨桿受力較小，在進行優(yōu)化設(shè)計時，可以考慮省掉在中風(fēng)化層處的錨桿加固，以節(jié)約支護成本。