基于強(qiáng)度折減法的路塹高邊坡支護(hù)方案研究

李新杰 李冬杰

【摘要】邊坡穩(wěn)定對(duì)于高速公路建設(shè)來說是極其重要的，邊坡穩(wěn)固關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全問題，邊坡穩(wěn)定性問題是判斷工程建設(shè)質(zhì)量好壞和保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全的關(guān)鍵性問題，所以對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前在實(shí)際工程中，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法有很多種比如瑞典法、Bishop法、不平衡推力法、摩根斯坦-普萊斯方法等。近些年來，隨著強(qiáng)度折減法的迅速發(fā)展，強(qiáng)度折減法成為了邊坡穩(wěn)定性分析的重要手段。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)度折減法;路塹高邊坡;支護(hù)方案

由于高邊坡公路途經(jīng)路線走廊帶的差異，地質(zhì)條件與相應(yīng)的物理力學(xué)性能不盡相同，原有的成果并不完全適用。需要結(jié)合工程實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析和相應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。與此同時(shí)，當(dāng)前主要是針對(duì)單一的防護(hù)技術(shù)措施進(jìn)行研究，比如錨桿框架梁防護(hù)，三維植被網(wǎng)防護(hù)等。不同的支護(hù)防護(hù)手段具有不同的適用范圍和條件。因此，針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的工程特點(diǎn)和沿線工程地質(zhì)條件，考慮公路高邊坡項(xiàng)目與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，對(duì)公路高邊坡進(jìn)行科學(xué)合理的穩(wěn)定性分析，選擇科學(xué)有效的支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)于提高施工期以及后期運(yùn)營(yíng)階段的穩(wěn)定性具有重要意義。

1、強(qiáng)度折減法概述

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)。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。

2、有限元模型建立

邊坡覆蓋層為粉質(zhì)黏土，下層為不透水的變質(zhì)細(xì)砂巖。邊坡的位移邊界條件為兩側(cè)施加鏈桿約束，底部施加固端約束;覆蓋層的流量邊界條件為兩側(cè)和地下水位以下是定水頭邊界，底部為不透水邊界。自重作用下的地應(yīng)力場(chǎng)作為邊坡的初始應(yīng)力場(chǎng)。通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，得到邊坡土體參數(shù)。

3、有限元模型分析

邊坡土體受內(nèi)部構(gòu)造、應(yīng)力演化和環(huán)境作用等要素影響，土體材料特性表現(xiàn)出明顯的不確定性。邊坡土體材料的變異性會(huì)導(dǎo)致不同的危險(xiǎn)滑動(dòng)面，因此在降雨入滲邊坡失穩(wěn)機(jī)理的分析時(shí)，很有必要考慮邊坡土體參數(shù)的變異性。采用簡(jiǎn)化Bishop法和瑞典條分法對(duì)邊坡的可靠度進(jìn)行分析;基于無限長(zhǎng)邊坡物理模型，提出了土體抗剪參數(shù)均值隨深度變化的概率分析方法;用有限元強(qiáng)度折減理論探討了邊坡在動(dòng)力作用下的可靠度;建立了考慮飽和滲透系數(shù)變異性的降雨入滲概率分析框架，探究了飽和滲透系數(shù)變異系數(shù)對(duì)邊坡失效概率的影響。目前，對(duì)邊坡可靠度分析大都基于土質(zhì)邊坡，在降雨入滲條件下，考慮土體抗剪參數(shù)變異性的層狀基巖型邊坡的可靠度分析研究較少。

4、支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)高邊坡不同的項(xiàng)目特點(diǎn)和地質(zhì)條件，選用不同的加固設(shè)計(jì)手段。通常在公路高邊坡加固處治中較為常見的加固方法有：噴錨網(wǎng)支護(hù)加固、注漿加固、SNS主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等。打入巖體的錨桿和抗滑樁對(duì)巖體的穩(wěn)定具有極大的幫助。高邊坡支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)邊坡在自然災(zāi)害下保持穩(wěn)定性的能力，避免出現(xiàn)滑坡等較為嚴(yán)重的失穩(wěn)現(xiàn)象。對(duì)于高邊坡的治理往往采用多種支護(hù)方式，而不僅僅是單一措施。例如，進(jìn)行混合支護(hù)時(shí)，錨固方格的結(jié)構(gòu)由錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索組成，錨桿會(huì)增強(qiáng)坡體的整體穩(wěn)定性，而錨索的存在使得坡體具有韌性的特點(diǎn)。如此可以很好地保證坡體在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)變形時(shí)整個(gè)邊坡仍保持穩(wěn)定。排水設(shè)計(jì)。水是高邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要因素。如坡體內(nèi)的水不能及時(shí)排出，一方面會(huì)增大坡體自重增加與下滑力，另一方面也極有可能出現(xiàn)坡體松動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重變形。因此，在進(jìn)行高邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)忽略對(duì)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在不同的排水系統(tǒng)中設(shè)計(jì)不同的方案以保證高邊坡排水的暢通。高邊坡施工應(yīng)自上而下逐級(jí)開挖，高邊坡的支護(hù)也應(yīng)逐級(jí)防護(hù)，同時(shí)注重坡體的監(jiān)測(cè)。邊坡失穩(wěn)雖然是一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，但具有一定的規(guī)律性。通過對(duì)坡體的監(jiān)測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)邊坡存在的安全隱患進(jìn)而提早采取措施，保證工程項(xiàng)目的安全。

5、無錨桿支護(hù)的方案

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。另一方面，在無錨桿支護(hù)的方案中，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(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)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。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(yíng)的潛在危險(xiǎn)與病害。

結(jié)語：

綜上所述，高速公路邊坡工程應(yīng)綜合考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、邊坡高度、環(huán)境條件、施工條件等因素，因地制宜，精心設(shè)計(jì)，選用一種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式或幾種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式組合的方式，實(shí)現(xiàn)邊坡治理的效果。在多級(jí)平臺(tái)放坡的情況下，監(jiān)測(cè)到邊坡及相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)均無明顯變更，邊坡治理效果顯著，可為同類永久性高邊坡的治理提供參考。

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