基于強(qiáng)度折減法的路塹高邊坡支護(hù)方案研究

尉立基，吳華偉，章海明

（1.山西交通控股集團(tuán)有限公司 臨汾北高速公路分公司，山西 臨汾 041000；2.山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030031）

引言

隨著我國西部高速公路的大量修建，常常會(huì)在山區(qū)開挖后形成路塹高邊坡。路塹開挖后山體的應(yīng)力發(fā)生重分布，對(duì)山體的穩(wěn)定性會(huì)造成一定的影響[1-2]。特別是順向高邊坡，切坡開挖后，巖層的抗滑段土體減少，導(dǎo)致剩余下滑力超過土體的抗剪強(qiáng)度，從而導(dǎo)致原有巖層產(chǎn)生沿巖層層面的滑動(dòng)，發(fā)生山頂塌方等危害。因此如何保證巖體開挖過程中的穩(wěn)定，并分析開挖后支護(hù)方案的優(yōu)劣性，選擇最佳的支護(hù)方案是巖土工程界的重要研究內(nèi)容。

數(shù)值分析目前是研究巖土工程的重要手段之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)有了眾多的有限元計(jì)算軟件，這對(duì)巖土工程研究具有重要的意義。Midas軟件是一款強(qiáng)大的巖土工程計(jì)算軟件，利用強(qiáng)大的幾何技術(shù)和建模功能，能夠很大程度上模擬絕大部分的巖土工程，且在計(jì)算結(jié)果上相對(duì)安全[3]，因此常用來做巖土工程分析。

1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法是在外荷載不變的前提下，將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行不斷折減，使土體處于極限平衡時(shí)的折減系數(shù)即是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[4-5]。結(jié)合有限差分法的強(qiáng)度折減法具有不用假設(shè)邊坡破壞的滑動(dòng)面的優(yōu)點(diǎn)，避免了假設(shè)滑動(dòng)面的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可靠的后果，同時(shí)還具有不受地貌影響的特點(diǎn)，能夠模擬出邊坡破壞過程中的滑移面形狀和位置，因此在進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析時(shí)，采用強(qiáng)度折減法能夠較合理地還原邊坡的破壞過程[6]。

2 工程概況及有限元模型建立

2.1 工程概況

某高速公路邊坡高約15 m，是一個(gè)巖層外傾的順層邊坡，頂部為粉質(zhì)黏土，其下為強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)頁巖和中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖。巖體完整性較好。巖土參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

為了保證高速公路修建過程中以及后期運(yùn)行的安全，擬定了兩種方案[7]。方案一采用三級(jí)1∶1放坡，每級(jí)放坡之間留1 m的馬道，坡高5 m，并采用素噴C20混泥土護(hù)面+6 m高重力式擋墻進(jìn)行支擋。方案二則采用三級(jí)1∶1放坡，每級(jí)放坡之間留1 m的馬道，坡高5 m，同時(shí)設(shè)置直徑16 mm、長度為4 m 的錨桿，在坡腳設(shè)置6 m高的重力式擋墻，兩種方案設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，擋墻形式參數(shù)相同，頂寬0.8 m，胸墻坡比1∶0.2。施工步驟見表3。

表2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 施工步驟說明

2.2 有限元模型建立

在有限元模型的建立過程中，邊界的選取往往會(huì)影響計(jì)算的最終結(jié)果。只有計(jì)算的邊界范圍足夠大才能避免邊界處的約束對(duì)計(jì)算模型產(chǎn)生不準(zhǔn)確的影響。但是模型邊界過大又會(huì)給模型的計(jì)算時(shí)間等帶來額外的影響。因此選取合理的邊界尺寸既能避免邊界效應(yīng)的影響，又能達(dá)到計(jì)算快速的目的。模型尺寸邊界見圖1。

圖1 建模尺寸

邊坡的錨桿實(shí)際作用機(jī)理除了能夠起到一定的抗拔作用以外，還能承受一定的剪力。但出于安全儲(chǔ)備，在模型建立過程中錨桿采用的植入式桁架單元來模擬，噴混凝土采用梁單元來模擬[8-9]。邊坡有限元模型計(jì)算依據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，共建立2 142個(gè)節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建了2 165個(gè)單元。三個(gè)邊界方向采用全約束。建立該高邊坡的二維模型見圖2。

圖2 邊坡模型網(wǎng)格

3 有限元模型分析

建立路塹高邊坡的二維模型后，首先分析路塹邊坡在天然狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)為1.24，暴雨?duì)顟B(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)為0.98，由此可見該邊坡在暴雨?duì)顟B(tài)下已容易發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)。其原始狀態(tài)下的塑性區(qū)見圖3?？梢钥闯?，在天然狀態(tài)下，該邊坡容易沿粉質(zhì)黏土和炭質(zhì)頁巖的分界面發(fā)生滑動(dòng)，從而造成山體滑坡的嚴(yán)重后果。從圖中可以看出，邊坡并沒有從坡腳剪出，證明在天然狀態(tài)下下部的炭質(zhì)頁巖穩(wěn)定性良好，粉質(zhì)黏土容易產(chǎn)生滑動(dòng)。尤其是在暴雨?duì)顟B(tài)下，粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致失穩(wěn)。

圖3 原始狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布

為了進(jìn)一步分析在開挖高速公路路塹之后該邊坡的支護(hù)的穩(wěn)定性，利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行了不同支護(hù)方案施工過程中的邊坡穩(wěn)定性分析。整理分析得到不同支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見圖4。

圖4 不同安全施工過程的安全系數(shù)變化對(duì)比

通過分析不同支護(hù)方案下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律可以看出，在無錨桿支護(hù)的方案一中，隨著邊坡開挖和支護(hù)的進(jìn)行，邊坡的穩(wěn)定性逐步增加。在第一步和第二步開挖的過程中邊坡的安全系數(shù)得到有效的提高。因?yàn)樵陂_挖第一步和第二步的過程中，挖方有效地減少了起下滑作用的土體的重量，使得這個(gè)邊坡的下滑力減小，抗滑力與下滑力的比值增大，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。尤其是第二層噴混凝土施工完畢后，邊坡的穩(wěn)定性最好。但當(dāng)進(jìn)行第三臺(tái)階開始之后，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)有所降低，究其原因，是因?yàn)檫吰碌目够蔚目够p小。分析方案二的安全系數(shù)可以看出，隨著邊坡的開挖和支護(hù)，其安全系數(shù)也呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì)。其總體變化趨勢(shì)與方案一基本一致。

對(duì)比分析兩種支護(hù)設(shè)計(jì)方案的安全系數(shù)的變化規(guī)律，可以看出在原始狀態(tài)和第一臺(tái)階的開挖過程中，兩種方案的安全系數(shù)基本一致。之后由于不同支護(hù)方案的支護(hù)強(qiáng)度不一樣，可以看出增設(shè)錨桿的方案二支護(hù)效果明顯好于方案一，可見錨桿在該邊坡的穩(wěn)定性影響中，起到了一定的抗剪抗滑的作用，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有較好的提升作用。同時(shí)也可以看出，兩種支護(hù)方案下邊坡的安全系數(shù)都大于1.35，均符合規(guī)范要求。

為了進(jìn)一步對(duì)比兩種支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定情況，分析兩種支護(hù)方案下的邊坡塑性區(qū)分布見圖5、圖6。

圖5 方案一塑性區(qū)分布

圖6 方案二塑性區(qū)分布

從圖5可以看出，在無錨桿支護(hù)的方案一中，邊坡仍然存在一個(gè)潛在的圓弧狀表層滑動(dòng)帶，該滑動(dòng)帶即位于粉質(zhì)粘土和炭質(zhì)頁巖的巖層分界面附近，這是因?yàn)樵诔蓭r過程中，在巖層分界面處膠結(jié)強(qiáng)度較低造成的。另外可以看出滑動(dòng)帶在坡腳的位置初應(yīng)力最大，因此在施工完畢后，在長期的運(yùn)營過程中，可能會(huì)出現(xiàn)坡面噴混凝土出現(xiàn)剪切裂縫的病害。從圖6可以看出，加設(shè)錨桿之后，邊坡的塑性區(qū)范圍明顯縮小。只在表層出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)，這表明錨桿調(diào)整了邊坡的應(yīng)力分布，起到了明顯的支護(hù)作用。潛在的滑動(dòng)面位置明顯下移，加深加大，且滑動(dòng)面的應(yīng)力明顯減小，支護(hù)效果良好。

雖然增設(shè)錨桿在一定程度上增加了工程造價(jià)，但是在可控范圍內(nèi)，該類順向挖方路塹邊坡仍然建議設(shè)置錨桿進(jìn)行加固防護(hù)，避免帶來后期運(yùn)營的潛在危險(xiǎn)與病害。

4 結(jié)語

（1）隨著開挖卸載，降低了邊坡的下滑力，順向高邊坡的穩(wěn)定性逐漸提升。（2）不加設(shè)錨桿容易沿巖層分界面出現(xiàn)表層滑動(dòng)，剪壞坡面噴混凝土，從而造成后期運(yùn)行病害。（3）增設(shè)錨桿有效地調(diào)整了邊坡的內(nèi)力分布，使?jié)撛诨泼娴膽?yīng)力減小，滑移面加深加大，增大了邊坡的安全系數(shù)，提高了邊坡的穩(wěn)定性。