高塹邊坡錨索加固設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化
——以廈門(mén)北站環(huán)山路為工程案例

鄭朝暉

(廈門(mén)中平公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司 福建廈門(mén) 361000)

0 引言

道路交通是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，通達(dá)快捷的路網(wǎng)是促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的先決條件。跟隨著城鎮(zhèn)化腳步的前進(jìn)，越來(lái)越多的地區(qū)建設(shè)大量的高速公路、國(guó)省干線(xiàn)。這些地區(qū)不乏惡劣的地質(zhì)條件，道路沿線(xiàn)，高路堤、深路塹頻繁出現(xiàn)，高邊坡穩(wěn)定分析的重要性日漸凸顯。

框架錨索防護(hù)作為典型輕型防護(hù)形式在高塹坡防護(hù)中應(yīng)用頻繁，壓力分散型錨索因?yàn)槠渚哂绣^固段端部峰值應(yīng)力小，能夠提供更大的錨固力等優(yōu)勢(shì)成為了錨索中的主流[1]。通過(guò)邊坡安全系數(shù)反算錨固力、錨固長(zhǎng)度，再對(duì)不同錨索單元進(jìn)行力值分配是現(xiàn)在大部分工程采用的設(shè)計(jì)方法，但是壓力分散性長(zhǎng)錨索加固受力特性復(fù)雜，力學(xué)分析困難，尤其是這種設(shè)計(jì)方法忽略了工后變形對(duì)錨索錨固力的影響，難以對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，因此要采用數(shù)值分析方法，預(yù)估不同工況產(chǎn)生的變形，進(jìn)而對(duì)錨索加固設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

基于此，本文擬以廈門(mén)北站環(huán)山路為工程案例，探討高塹邊坡錨索加固設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，與同仁交流。

1 工程概況

廈門(mén)集美新城巖內(nèi)片區(qū)環(huán)山路工程位于廈門(mén)北站北廣場(chǎng)，是北廣場(chǎng)路網(wǎng)的重要組成部分，是巖內(nèi)車(chē)輛基地上蓋保障性住房居民出行的重要通道。路線(xiàn)沿石堀山山體展線(xiàn)，全長(zhǎng)5.159km，起點(diǎn)段1.4km為城市次干道，其余路段為城市支路。道路沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)地區(qū)多為低山丘陵與殘丘臺(tái)地相間，局部地段溝谷發(fā)育，地形總體稍有起伏，地勢(shì)為西北高、東南低，呈階梯狀下降，高程約為22.97m～90.40m，沿線(xiàn)多處邊坡高達(dá)30m～40m，邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)成為該工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

環(huán)山路K3+700處與廈安高速巖鳳溪隧道K9+568.594(運(yùn)營(yíng)樁號(hào))交叉，交叉角度54°50′57″，道路路線(xiàn)K3+620～K3+740段，布設(shè)于鳳溪隧道上方，采用路基方案上跨，長(zhǎng)度約120m，邊坡高度約18m～27m，三級(jí)邊坡。根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔揭露及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查，開(kāi)挖邊坡處，表層覆蓋層為粉質(zhì)粘土，殘積砂質(zhì)粘性土，覆蓋層下主要為燕山晚期中粗?；◢弾r，按其風(fēng)化程度分為全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化4個(gè)亞層，鉆探揭露的深度范圍內(nèi)中風(fēng)化基巖節(jié)理裂隙很發(fā)育～發(fā)育，巖芯破碎～較完整，由上而下,依次為：全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。

具體工程設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

(1)內(nèi)側(cè)邊坡第一、第二級(jí)坡率為1∶1，采用預(yù)應(yīng)力錨索框架進(jìn)行防護(hù)，錨索采用壓力分散型，豎向間距4m，水平間距3m，單孔4根直徑為15.2×10-3m鋼絞線(xiàn)，錨固長(zhǎng)度10m，預(yù)應(yīng)力值初定采用300kN，其中單元一長(zhǎng)度20m，單元二長(zhǎng)度為15m。

(2)內(nèi)側(cè)邊坡第三級(jí)為1∶1.25，采用一般植草坡面防護(hù)，下同。

(3)道路外側(cè)采用懸臂式輕型擋墻，擋墻高度為4.5m，埋置深度大于1m。

圖1 高邊坡地質(zhì)橫斷面示意圖

2 錨索設(shè)計(jì)、張拉

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)規(guī)范要求，一級(jí)邊坡錨桿桿體抗拉安全系數(shù)為2.2，巖土錨固體抗拔安全系數(shù)為2.6。

鋼絞線(xiàn)極限抗拉強(qiáng)度1860MPa，因此錨索單元極限張拉荷載：

Npk1=1860×0.00014×2=520.8kN>150×2.2=330kN，滿(mǎn)足要求。

錨固段位于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，根據(jù)地勘資料，地層與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度極限值采用320kPa，因此錨固體極限粘結(jié)力為：

Npk2=3.14×0.13×5×320×5=653.1kN>150×2.6=390kN，滿(mǎn)足要求。

壓力分散型錨索應(yīng)先對(duì)較長(zhǎng)的錨索單元進(jìn)行先補(bǔ)償張拉，之后單元一、單元二再一同張拉，進(jìn)而使得錨索不同單元最終鎖定的力值相等[2]。錨索張拉分析如下：

S1=N1L1/2EA=150×20/(2×19 500×0.00 014)=0.055m

S2=N2L2/2EA=150×15/(2×19 500×0.00 014)=0.041m

△S=S1-S2=0.055-0.041=0.014m

△N1=2EA△S/L1=2×19 500×0.00 014×0.014/20=37.5kN

其中：N1、N2分別為單元一、單元二拉力，為150kN；

L1、L2分別為單元一、單元二長(zhǎng)度，L1=20m，L2=15m；

E為鋼絞線(xiàn)彈性模量；

A為單根錨索長(zhǎng)度；

△S為單元一、單元二差異伸長(zhǎng)量；

△N1為單元一補(bǔ)償張拉力；

錨索單元分布張拉如表1所示。

表1 錨索單元分步張拉 kN

這種應(yīng)力張拉方式先對(duì)單元一進(jìn)行補(bǔ)償張拉，之后第一、第二單元共同張拉，使得單元一、單元二受力大致相等。這種張拉方式基于邊坡工后不產(chǎn)生變形的假定，但是實(shí)際工程中，為了保證邊坡的安全穩(wěn)定，均要求施工單位邊坡開(kāi)挖后應(yīng)立即進(jìn)行坡面防護(hù)，同時(shí)要求在上一級(jí)邊坡防護(hù)實(shí)施完成后，才能對(duì)下一級(jí)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖。因此，多級(jí)邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)充分考慮下級(jí)邊坡開(kāi)挖對(duì)上級(jí)邊坡變形的影響，避免邊坡變形過(guò)大，導(dǎo)致錨索拉力超過(guò)極限值，同時(shí)應(yīng)考慮變形對(duì)補(bǔ)償拉力的影響，對(duì)邊坡變形進(jìn)行預(yù)估，避免同一錨索不同單元受力差別過(guò)大，受力不均，影響錨索的整體受力性能。采用數(shù)值分析方法，可以對(duì)不同工況下的變形進(jìn)行分析，對(duì)錨索參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用數(shù)值分析方法優(yōu)化錨索加固設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 Abaqus有限元模型的建立

模型運(yùn)用巖土界內(nèi)知名有限元Abaqus構(gòu)建，其中土體采用三節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性平面三角形單元，采用摩爾-庫(kù)倫模型塑性本構(gòu)模型[3]；框架采用四節(jié)點(diǎn)雙線(xiàn)性平面應(yīng)變四邊形單元，采用彈性模型，考慮框架作用主要是將錨索作用力傳遞給土體，因此通過(guò)放大豎肋截面，簡(jiǎn)化橫梁的方式進(jìn)行框架等效；錨索采用二節(jié)點(diǎn)二維桁單元，采用彈性模型；錨索預(yù)應(yīng)力采用降溫法，即在模塊中定義溫度膨脹系數(shù)，然后在分析步中降低溫度，以達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的效果。有限元模型網(wǎng)格劃人如圖2所示，計(jì)算公式如下：

△T=N/aEA

其中：△T為降低溫度值，N為施加的預(yù)應(yīng)力值，E為錨索彈性模量，A為截面面積，a為膨脹系數(shù)。

模型分析過(guò)程中建立多個(gè)分析步以模擬不同施工工況，具體工況及施工內(nèi)容如表2所示。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

表2 工況及實(shí)施內(nèi)容

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)勘察資料，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算采用物理力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

將邊坡、框架、錨索單元進(jìn)行裝配組合，錨索與框架進(jìn)行綁定處理，模擬邊坡開(kāi)挖和施加錨索的工序。開(kāi)挖后土體變形如圖3所示，最大位移位于第一邊坡處，約15.5cm。

圖3 邊坡變形云圖

圖4 二級(jí)邊坡第一道錨索變形(S21=0.023m)—工況6

第六階段對(duì)第一級(jí)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程使第二級(jí)已施加預(yù)應(yīng)力的錨索產(chǎn)生變形，如圖4～圖5所示，第一級(jí)邊坡開(kāi)挖引起第二級(jí)邊坡第一道錨索變形△S21=0.023m，引起第二級(jí)邊坡第二道錨索變形 △S22=0.031m。

圖5 二級(jí)邊坡第二道錨索變形(S22=0.031m)—工況6

考慮邊坡變形引起的附加拉力，第二級(jí)邊坡錨索拉力，如表4所示。

表4 第二級(jí)邊坡錨索拉力 kN

3.4 錨索拉力優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)第8.2.2條規(guī)定，錨桿桿體抗拉安全系數(shù)應(yīng)大于2.2，因此考慮滿(mǎn)足規(guī)范要求，同時(shí)使框架受力更為均衡協(xié)調(diào)，同一片框架不同錨索不同單元差異荷載均控制在15%范圍，因此該次設(shè)計(jì)第二級(jí)邊坡第一道錨索預(yù)應(yīng)力為150kN，第二道錨索預(yù)應(yīng)力調(diào)整為125kN。調(diào)整后錨索拉力如表5所示。

表5 錨索單元分步張拉 kN

運(yùn)用理正巖土軟件進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，同時(shí)運(yùn)用Abaqus有限元軟件強(qiáng)度折減法進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，最終確定邊坡穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)1.67。

4 結(jié)論

不同工況的變形所產(chǎn)生的附加荷載對(duì)錨索的影響較大，尤其是在土質(zhì)情況較差，變形較大的邊坡，這種附加荷載是不可忽視的。

采用數(shù)值分析方法，預(yù)測(cè)不同工況引起的變形，對(duì)工程設(shè)計(jì)的參數(shù)合理性的論證，對(duì)不同錨索的不同單元進(jìn)行具體設(shè)計(jì)、優(yōu)化是必要的。

施工過(guò)程在坡體布置變形控制點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行預(yù)警，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，有利于確保工程安全。