公路巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)分析

陳 昊, 盧應(yīng)發(fā), 謝 鵬, 陳 誠(chéng)

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2 湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 黃石 435000)

在多山地區(qū)修筑公路的過(guò)程中難以避免的遇到眾多復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，而路塹邊坡破壞亦多不勝數(shù)，對(duì)其破壞機(jī)制、工程防治的研究是擺在公路建設(shè)者們面前的緊迫問(wèn)題，眾多學(xué)者的研究成果也被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，且已證明相關(guān)成果良好的普適性。對(duì)邊坡內(nèi)部力學(xué)研究，發(fā)展出諸如簡(jiǎn)布法、費(fèi)倫紐斯法等傳統(tǒng)條分法。陳祖煜[1]基于Spencer法提出三維形式極限平衡法，并證明其適用性；李同錄等[2]改進(jìn)了傳統(tǒng)三維極限分析法，假定條柱分界面的極限平衡條件進(jìn)而推導(dǎo)了相應(yīng)公式。上述傳統(tǒng)分析方法均做了不同假定從而導(dǎo)致其局限性較大，隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的更新，應(yīng)用大型數(shù)值計(jì)算程序成為研究邊坡穩(wěn)定的新途徑，亦愈來(lái)愈受到相關(guān)學(xué)者重視。陳菲[3]基于FLAC3D探討了強(qiáng)度折減法在三維邊坡穩(wěn)定分析中的工程應(yīng)用問(wèn)題；陳云生等[4]運(yùn)用MIDAS GTS分析公路邊坡開挖與支護(hù)前后位移、應(yīng)變分布特征，并驗(yàn)證三維數(shù)值模擬的合理性。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以彈塑性有限元強(qiáng)度折減法為理論依據(jù)，對(duì)巖質(zhì)公路高邊坡在原始工況、削坡及加固治理后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)類似邊坡及治理有借鑒意義。

1 工程概況

該路塹邊坡地處丘陵崗地區(qū)，坡頂高度為80 m，坡腳度為28 m，高差約50 m，長(zhǎng)約200 m，平面圖上大致呈“S”形，坡體走向近東西向，坡向146°，坡角55～85°，地形陡緩相間，前緣人工切坡較陡；坡體上覆有粉質(zhì)粘土夾碎石塊：黃褐色，厚度一般為1.5～2.5 m；碎石成份為主要為砂質(zhì)巖，直徑一般為5～20 cm，土石比為7：3；該層結(jié)構(gòu)松散，屬透水不含水層。下伏地層物質(zhì)主要為灰?guī)r夾泥質(zhì)粉砂巖，中厚層狀，巖層產(chǎn)狀為350∠50°，單層厚2～5 cm局部夾煤系地層，薄層狀。地下水類型為孔隙水，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲。

圖 1 邊坡特征示意圖

圖 2 邊坡斷面及開挖示意圖

由于人工切坡，巖體受風(fēng)化程度強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)多呈碎裂狀，裂隙十分發(fā)育，主要發(fā)育有二組節(jié)理：1)組160°∠52°，間距10～20 cm，裂面平直，延展大于1 m；2) 組120°∠69°，間距10 cm左右，裂面平直，延展一般小于1 m；閉合狀，無(wú)充填。由于局部構(gòu)造影響，邊坡局部巖體的產(chǎn)狀變化不規(guī)律，褶皺發(fā)育較明顯，產(chǎn)狀為35°∠90°、175°∠4°、230°∠67°、85°∠38°。邊坡巖體介質(zhì)軟硬相間、節(jié)理裂隙切割強(qiáng)烈，局部褶皺較發(fā)育，巖質(zhì)邊坡發(fā)生破壞是由于巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度逐漸降低，加之風(fēng)化剝蝕、臨空卸荷與降雨入滲等因素影響，為了防止發(fā)生進(jìn)一步破壞對(duì)坡腳公路通行造成影響，決定對(duì)邊坡進(jìn)行削坡減重、設(shè)置框格梁和預(yù)應(yīng)力錨桿等加固方法進(jìn)行工程治理。

對(duì)邊坡削方開挖采取三級(jí)開挖，均采用1∶1.2的比例系數(shù)進(jìn)行放坡，中間設(shè)3 m寬?cǎi)R道。預(yù)應(yīng)力錨桿：L=15 m，采用直徑為32 mm的HRB400螺紋鋼筋，布置間距4 m；框格梁截面尺寸：0.5 m×0.4 m，采用C30混凝土澆筑。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元強(qiáng)度折減法

通過(guò)將坡體強(qiáng)度參數(shù)：用折減系數(shù)Fs來(lái)不斷降低粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值，將得到的c′和φ′繼續(xù)折減，直至計(jì)算失穩(wěn)。本文選取的失穩(wěn)判據(jù)為：分析步驟中力和位移值計(jì)算不收斂。

c′=c/Fs

tanφ′=tanφ/Fs

τ′=c′+σtanφ′

式中：Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)，c′、φ′、τ′分別為折減后的粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度。

2.2 本構(gòu)模型

本次有限元計(jì)算選取彈塑性模型，德朗克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準(zhǔn)則，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I1=σ1+σ2+σ3

式中：α和k為與粘聚力、內(nèi)摩擦角相關(guān)的參數(shù)，I1為應(yīng)力張量第一不變量，J2為應(yīng)力偏張量第二不變量。

2.3 路塹邊坡模型建立

本次模擬建立的三維地層模型由三角形網(wǎng)格劃分生成，計(jì)算模型尺寸：x=180 m；y=20 m；Z=80 m，共有18 599個(gè)節(jié)點(diǎn)，31 655個(gè)單元(圖3)。邊界條件：臨空面設(shè)置為自由邊界，前后、左右邊界施加法向固定約束，將坡腳處網(wǎng)格延伸一定長(zhǎng)度是為了消除邊界效應(yīng)對(duì)坡腳處模擬結(jié)果的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)的框格梁用梁?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨桿用桁架單元實(shí)現(xiàn)(圖4)。

圖 3 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

圖 4 框格梁、錨桿有限單元圖

2.4 坡體相關(guān)參數(shù)的選取

坡體相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 坡體、支護(hù)材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 未開挖狀態(tài)結(jié)果及分析

原始狀態(tài)下對(duì)坡體進(jìn)行分析后得出的水平位移、剪應(yīng)變分布云圖(圖5)。在不做任何加固措施的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.181，介于規(guī)范中規(guī)定1.05～1.30，即邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；原始狀態(tài)下的坡體的坡度較陡，坡體受自重影響較大，坡腳處的應(yīng)力集中明顯，坡體出現(xiàn)滑移，由應(yīng)變圖看出塑性范圍從坡腳一直貫通至坡頂，且呈圓弧形，推測(cè)此層面為軟弱層，坡腳處水平位移最大達(dá)到1.084 m，由于坡腳承受上部全部荷載，此時(shí)的坡腳處抗剪能力不足，一旦坡體抗剪強(qiáng)度極限達(dá)到，將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)直至破壞，故有必要對(duì)其進(jìn)行削方減載。

圖 5 原始狀態(tài)下的位移、應(yīng)變分布云圖

3.2 開挖后結(jié)果分析

1)位移場(chǎng)分析 如圖6中邊坡開挖位移圖所示，在第三級(jí)邊坡開挖完畢后，坡體水平位移最大值為0.292 m，表明經(jīng)過(guò)坡頂減載后，坡體整體受到自重應(yīng)力大幅下降，穩(wěn)定性有所提高；隨著第二級(jí)邊坡的開挖完成，水平位移最大值減小為0.196 m，坡體自重影響逐漸減小；第一級(jí)坡開挖完畢后，位移繼續(xù)減小至0.176 m, 這是由于第三級(jí)坡和第二級(jí)坡的方量較大，在完成削方減載后，坡體的位移值有較大變化，第一級(jí)邊坡方量較小，故減小幅度稍小，對(duì)比在未開挖前的最大位移值，各階段的最大位移值在上一階段的基礎(chǔ)上分別減小73%、32%、10%。

圖 6 未支護(hù)工況下各階段位移、應(yīng)變分布云圖

2)應(yīng)變場(chǎng)分析 由應(yīng)變?cè)茍D可知，第三級(jí)邊坡開挖完成后的剪應(yīng)變最大值為0.064，此時(shí)塑性區(qū)主要集中于未開挖坡體，邊坡最危險(xiǎn)滑移區(qū)處于坡腳處；第二級(jí)邊坡開挖后由于危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)面出露，塑性區(qū)有發(fā)育趨勢(shì)，剪應(yīng)變最大值減小為0.048；最大剪應(yīng)變?cè)谏弦浑A段的基礎(chǔ)上分別減小82%、23%、35%，以上分析表明隨著開挖施工進(jìn)行，坡體發(fā)生剪切破壞的機(jī)率是不斷減小的。

邊坡開挖完畢后的整體安全系數(shù)為1.357。對(duì)于坡度較陡邊坡，按一定放坡系數(shù)進(jìn)行削方減載有助于降低發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)，這也是工程界的常用治理手段，隨著邊坡的開挖進(jìn)行，坡體結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布以達(dá)到新的平衡穩(wěn)態(tài)，總體趨向穩(wěn)定形態(tài)發(fā)展。為了降低后期人為、環(huán)境因素對(duì)減載后邊坡的影響，使邊坡形態(tài)能長(zhǎng)期保持，必須輔以進(jìn)一步的加固措施。

3.3 支護(hù)后結(jié)果分析

1)位移場(chǎng)分析 圖7、圖8分別為框格梁、框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿逐級(jí)加固后的邊坡云圖。對(duì)不同加固措施下的邊坡位移場(chǎng)進(jìn)行分析可知：

圖 7 框格梁加固后位移、應(yīng)變分布云圖

圖 8 框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿加固后位移、應(yīng)變分布云圖

在僅采用框格梁加固下，第三級(jí)邊坡位移量最大值為0.279 m，與開挖未加固的結(jié)果相差不大，可知第三級(jí)邊坡開挖和加固對(duì)邊坡位移發(fā)展的約束作用有限，坡腳處發(fā)生剪切破壞可能性仍較大；第二級(jí)邊坡、第一級(jí)邊坡加固后位移量最大值分別為0.186 m、0.198 m，結(jié)果有所增大，主要是由于框格梁在施工澆筑的過(guò)程中打破了邊坡靜力平衡，使邊坡受重力荷載有所加大。

采用框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿加固后各階段的位移量最大值為0.251 m、0.131 m、0.094 m，較僅采用框格梁加固減小明顯，表明預(yù)應(yīng)力錨桿的介入極大改善了邊坡變形趨勢(shì)，錨桿的作用是連接坡體表面風(fēng)化巖和坡體內(nèi)部新鮮基巖，錨桿借助坡體深處基巖的內(nèi)聚力，有效釋放深處巖石之間的膠結(jié)力，用來(lái)抵消向坡體淺層一定深度范圍內(nèi)的風(fēng)化巖體因強(qiáng)度消散產(chǎn)生下滑的下滑力，從而發(fā)揮加固效能，在框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿兩者共同作用下為坡體具有長(zhǎng)期穩(wěn)固形態(tài)提供基礎(chǔ)。

2)應(yīng)變場(chǎng)分析 由圖7和圖8應(yīng)變?cè)茍D可知：采用框格梁加固下的最大剪應(yīng)變相較于未加固各階段分別減小32%、30%、23%，邊坡整體安全系數(shù)為1.429。采用框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿加固下的最大剪應(yīng)變相較于未加固各階段分別減小38%、61%、64%，邊坡整體安全系數(shù)為1.851。

兩種加固方式下均能明顯減弱塑性區(qū)的發(fā)育，塑性區(qū)逐漸收窄。最大剪應(yīng)變區(qū)僅存在二級(jí)坡腳和一級(jí)坡腳處很小范圍內(nèi)，表明經(jīng)過(guò)加固后對(duì)邊坡起到很好支護(hù)作用。綜上所述，通過(guò)對(duì)比分析后得出采用框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿是本治理工程的首選方案。

4 結(jié)論

1)對(duì)公路高邊坡的開挖計(jì)算結(jié)果得出：原始邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.181，尤其在坡腳處的應(yīng)力集中明顯，若不進(jìn)行開挖治理，隨著時(shí)間的推移，坡腳最先會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞；在三級(jí)邊坡開挖的過(guò)程中，坡腳承受自重應(yīng)力影響逐漸減小，穩(wěn)定性是逐步加強(qiáng)的，在開挖完畢后坡腳處仍存在部分應(yīng)力集中。

2)通過(guò)對(duì)公路高邊坡的支護(hù)治理后可知：在框格梁的加固作用下的穩(wěn)定系數(shù)為1.429，相較開挖后支護(hù)前的穩(wěn)定系數(shù)1.357，增幅不大，表明其未對(duì)坡體的位移產(chǎn)生很好的約束；框格梁+預(yù)應(yīng)力錨桿的組合加固措施則展示其優(yōu)異的阻滑性能，穩(wěn)定系數(shù)增大至1.851，達(dá)到了預(yù)期的治理效果。施工過(guò)程中，建議在坡頂和坡腳處構(gòu)筑截水溝，防止雨季的降雨入滲對(duì)加固工程的危害。