路塹高邊坡錨索格梁支護(hù)體系受力特征及設(shè)計方法研究*

蘇紅軍，姜早龍，陳大川，李 荷

(1.中交第三公路工程局，北京 100102；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；3.湖南湖大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410082)

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，高速公路網(wǎng)不斷向山區(qū)延伸[1]。在山區(qū)公路建設(shè)中，常常存在土質(zhì)挖方邊坡高度大于20m或巖石挖方邊坡高度大于30m的路塹高邊坡[2]。與普通邊坡相比，高邊坡巖土體的重力勢能較大，具有從高處向低處滑動的趨勢，一旦失穩(wěn)會產(chǎn)生滑坡、塌方等突發(fā)性災(zāi)害，造成極大傷害[3-4]。

預(yù)應(yīng)力錨索格梁支護(hù)體系對路塹高邊坡具有較好的治理效果[5]。近年來，不少學(xué)者對錨索格梁支護(hù)體系進(jìn)行了相關(guān)研究，趙久歡[6]結(jié)合實際案例研究了錨索格梁支護(hù)體系的固坡機(jī)理。ZHANG等[7]研究了錨索格梁支護(hù)體系的抗震性能。LI等[8]建立預(yù)應(yīng)力錨索格梁張拉階段的力學(xué)模型，研究了格梁內(nèi)力的分布規(guī)律。王渭明等[9]對錨索預(yù)應(yīng)力損失情況進(jìn)行了研究。此外，也有學(xué)者關(guān)注錨索格梁體系在具體應(yīng)用中存在的問題，并提出相應(yīng)的質(zhì)量控制要點(diǎn)[10-11]。

現(xiàn)有研究成果多集中在錨索格梁支護(hù)體系的構(gòu)件受力特征或施工應(yīng)用方面，少有學(xué)者關(guān)注錨索設(shè)計參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。同時，目前的錨索格梁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計大多依靠以往經(jīng)驗，理論和規(guī)范依據(jù)不足，具有一定的盲目性?；诖?，本文以湖南省某高速公路路塹高邊坡工程為依托，結(jié)合有限元模擬軟件FLAC3D，建立三維數(shù)值模型，并分析了錨索間距、錨固角度、錨固長度等設(shè)計參數(shù)對錨索格梁支護(hù)體系受力特征及邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某高速公路項目位于湖南省中部，全長7.47km。全線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，K0—K27+455段設(shè)計速度為100km/h，路基寬26.0m；K27+455至終點(diǎn)段設(shè)計速度為80km/h，路基寬25.5m。項目路線走廊帶穿越雪峰山腹地，沿線地形起伏大，斜坡自然坡度為25°～35°，最大邊坡高度約40m。

1.1 工程地質(zhì)條件

邊坡主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、粉質(zhì)黏土，屬土巖質(zhì)邊坡。坡向與巖層傾向呈小角度相交，為層狀同向結(jié)構(gòu)。坡體中強(qiáng)風(fēng)化巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、碎石抗沖刷能力較差。施工擾動可能產(chǎn)生順層滑坡、小規(guī)模坍塌或碎落等現(xiàn)象。

1.2 邊坡支護(hù)方案初步設(shè)計

根據(jù)初步支護(hù)方案，路塹邊坡設(shè)計采用四級臺階式，上緩下陡，每10m一級，自下而上坡度分別為：1∶0.75，1∶1，1∶1，1∶1.25，平臺寬2m。第1級邊坡采用格梁錨桿植草防護(hù)，錨桿設(shè)計張拉力為100kN，長10m，錨固長度為4m；第2級邊坡采用錨索格梁防護(hù)；第3級邊坡采用人行骨架植草防護(hù)；第4級邊坡采用三維網(wǎng)植草防護(hù)。為降低錨索設(shè)計難度、減少優(yōu)化變量個數(shù)，對第2級邊坡的錨索格梁設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化。

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

根據(jù)邊坡支護(hù)相關(guān)理論和文獻(xiàn)[12]，做出如下假定。

1)土體為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)體，符合莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，其材料參數(shù)滿足莫爾-庫侖本構(gòu)關(guān)系。

2)視邊坡問題為平面應(yīng)變問題，不考慮坡長對計算結(jié)果的影響，在最大坡高處取16m寬為研究對象。

2.2 參數(shù)選取

各巖土層關(guān)鍵參數(shù)由現(xiàn)場取樣試驗確定，具體數(shù)值如表1所示。

表1 各巖土層力學(xué)參數(shù)

模型材料包括錨索、錨桿、格梁等。預(yù)應(yīng)力錨索彈性模量為19.5×104MPa，抗拉強(qiáng)度為1 860MPa，錨固段采用M30水泥砂漿，設(shè)計張拉力為550kN；預(yù)應(yīng)力錨桿彈性模量為20.0×104MPa，抗拉強(qiáng)度為340MPa，黏結(jié)砂漿為M30水泥砂漿，設(shè)計張拉力為120kN；鋼筋混凝土格梁采用C30混凝土，橫截面尺寸為0.4m×0.4m，彈性模量為3×104MPa，抗壓強(qiáng)度為20.1MPa，抗拉強(qiáng)度為2.01MPa。

2.3 模型建立

采用有限元軟件FLAC3D建立邊坡三維數(shù)值模型，模型尺寸為84.75m×12m×50m(長×寬×高)。巖土體采用8結(jié)點(diǎn)六面體單元和6結(jié)點(diǎn)楔形體單元模擬，錨索采用cable單元模擬，鋼筋混凝土格梁采用beam單元模擬。模型底部施加固定約束，其他自由面施加法向位移約束。模型共39 040個結(jié)點(diǎn)，34 965 個單元，如圖1所示。

圖1 邊坡三維數(shù)值模型

3 邊坡穩(wěn)定性的影響參數(shù)分析

由相關(guān)研究[13]可知，錨索設(shè)計參數(shù)對錨固效果有顯著影響。因此，本文以實際工程為依托，構(gòu)建三維數(shù)值模型，研究錨索間距、錨固角度、錨固長度等不同參數(shù)下錨索格梁支護(hù)體系的受力特征及邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

采用強(qiáng)度折減法計算邊坡安全系數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析。邊坡安全系數(shù)為巖土體實際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時折減剪切強(qiáng)度的比值，表示邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時，巖土體抗剪強(qiáng)度的折減程度[14]。本文主要通過折減巖土體的黏聚力和摩擦角，根據(jù)式(1)，(2)進(jìn)行安全系數(shù)計算。

(1)

(2)

式中：ctrial為折減后的黏聚力；φtrial為折減后的內(nèi)摩擦角；Ftrial為安全系數(shù)。

參考GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[15]，結(jié)合本工程實際情況，確定邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。根據(jù)安全系數(shù)Fs，將邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為不穩(wěn)定(Fs<1.00)、欠穩(wěn)定(1.00≤Fs<1.05)、基本穩(wěn)定(1.05≤Fs<1.3)和穩(wěn)定(Fs≥1.3)4種狀態(tài)。

3.2 天然邊坡穩(wěn)定性分析

對無支護(hù)天然邊坡的整體穩(wěn)定性及各方向位移進(jìn)行模擬分析，并利用強(qiáng)度折減法對開挖后邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 無支護(hù)狀態(tài)下邊坡的數(shù)值分析結(jié)果

由圖2可知，無支護(hù)狀態(tài)下，邊坡最大水平位移為83.1cm，位于坡體底部；邊坡最大豎向位移為33.9cm，位于坡體頂部；邊坡潛在滑動面貫穿整個自由邊坡面，且滑動面外側(cè)區(qū)域各網(wǎng)格點(diǎn)的位移速度、位移量明顯大于其他區(qū)域。同時，經(jīng)計算可得邊坡安全系數(shù)Ftrial僅為1.08，安全系數(shù)較低，邊坡未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需采取加固措施進(jìn)一步加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性。

3.3 錨索間距影響性分析

為研究錨索間距對格梁受力與邊坡穩(wěn)定性的影響，在2級邊坡建立錨索格梁體系，設(shè)置3，4，5，6m 4種錨索間距工況，通過數(shù)值模擬得到不同錨索間距下的安全系數(shù)與格梁彎矩值，如表2所示。

表2 不同錨索間距下的安全系數(shù)與格梁彎矩

由表2可知，錨索間距由6m減小到5m時，安全系數(shù)增幅較大，邊坡由基本穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。錨索間距<5m時，縮小錨索間距對邊坡整體穩(wěn)定性影響不大。格梁負(fù)彎矩基本大于正彎矩；錨索間距對格梁彎矩值影響較大，錨索間距為5m時，格梁負(fù)彎矩達(dá)到最大值，為94.81kN·m，此時格梁處于最不利受力狀態(tài)。綜上，錨索間距設(shè)計應(yīng)小于5m。

3.4 錨固角度影響性分析

GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定預(yù)應(yīng)力錨索錨固角取值范圍為15°～35°[15]。為研究錨索錨固角對邊坡穩(wěn)定性及格梁受力的影響，結(jié)合工程實際，設(shè)置15.0°，20.0°，22.5°，25.0° 4種預(yù)應(yīng)力錨索錨固角工況，模擬得到不同錨索錨固角下的安全系數(shù)與格梁彎矩，如表3所示。

表3 不同錨索錨固角下的安全系數(shù)與格梁彎矩

由表3可知，錨索錨固角度在15°～25°時，邊坡安全系數(shù)變化幅度較小，但均大于1.3，滿足穩(wěn)定性要求，表明錨固角度的改變對邊坡穩(wěn)定性影響較小。錨固角度由15°增加到22.5°時，格梁正彎矩略有增加，負(fù)彎矩明顯減??；當(dāng)錨固角度由22.5°增加到25°時，格梁正彎矩減小，負(fù)彎矩增大。綜上，最優(yōu)錨固角度為22.5°，此時格梁負(fù)彎矩值最小，為68.09kN·m。

3.5 錨固長度影響性分析

錨索的錨固長度是影響錨索極限承載力及邊坡防治效果的重要參數(shù)。結(jié)合工程實際，設(shè)置6，8，10，12m 4種錨固長度工況進(jìn)行模擬，得到不同錨索錨固長度下的安全系數(shù)與錨索極限軸力，如表4所示。

表4 不同錨索錨固長度下的安全系數(shù)與錨索極限軸力

由表4可知，隨著錨索錨固長度增加，邊坡穩(wěn)定性略有改善，但影響較小。錨索錨固長度對錨索受力特征影響較明顯，隨著錨索錨固長度的增加，頂層錨索的極限抗拉力得到顯著提高，中層與底層的錨索極限抗拉力呈減小趨勢。當(dāng)錨固長度增加到10m后，頂層錨索的極限抗拉力增幅不再顯著。

4 錨索格梁支護(hù)體系設(shè)計與驗證

4.1 支護(hù)方案設(shè)計

基于錨索格梁支護(hù)體系設(shè)計參數(shù)影響性分析結(jié)果，確定本工程第2級邊坡錨索格梁體系的支護(hù)方案設(shè)計參數(shù)，即錨索間距4m，錨固角度22.5°，錨固長度10m，預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計張拉力為550kN。建立有限元數(shù)值模型，如圖3所示。得到邊坡巖土體的最大剪應(yīng)變速率，如圖4所示。

圖3 實際邊坡數(shù)值模型

圖4 邊坡數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4可知，與無支護(hù)天然邊坡相比，采用錨索格梁支護(hù)設(shè)計方案后，邊坡滑動整體上移，且滑動面范圍顯著縮小，并由沿整個坡面滑動變?yōu)檠?,4級邊坡滑動，邊坡整體穩(wěn)定性有明顯提高。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證

為檢驗設(shè)計邊坡的實際穩(wěn)定性，施工完成后進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖5所示，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖5 邊坡錨索索力和位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

圖6 錨索索力和邊坡土體位移變化曲線

由圖6可知，實際錨索索力在1年監(jiān)測期內(nèi)較穩(wěn)定，無索力突增現(xiàn)象；鋼筋混凝土格梁無開裂現(xiàn)象；監(jiān)測初期邊坡土體位移變化幅度較大，隨著時間的推移，土體位移變化速率顯著減小，在7個月后趨于穩(wěn)定，此時坡體深部最大位移速率、地表最大位移速率均小于2mm/d，在允許范圍內(nèi)。綜上，高邊坡支護(hù)設(shè)計方案是可行的，可確保高邊坡的長期穩(wěn)定與安全。

5 結(jié)語

錨索格梁支護(hù)體系參數(shù)的正確設(shè)計是保證路塹高邊坡治理效果的關(guān)鍵?，F(xiàn)有設(shè)計較多依靠前人的經(jīng)驗與總結(jié)，缺乏理論性與系統(tǒng)性。因此，亟需引入新設(shè)計方法來確保邊坡的安全性及穩(wěn)定性。以湖南省某高速公路路塹高邊坡工程為依托，基于FLAC3D軟件建立路塹高邊坡錨索格梁支護(hù)體系的有限元模型，研究不同設(shè)計參數(shù)下錨索格梁支護(hù)體系的受力特征及邊坡穩(wěn)定性，據(jù)此提出最優(yōu)設(shè)計方案并驗證了支護(hù)效果，具體研究結(jié)論如下。

1)錨索間距對邊坡穩(wěn)定性影響較大，錨固角度、錨固長度對邊坡穩(wěn)定性影響較小，且建議錨索間距設(shè)計應(yīng)小于5m。

2)錨索間距、錨固角度的改變對混凝土格梁受力特征有顯著影響，在錨索格梁體系設(shè)計中起控制作用。

3)錨固長度改變對錨索的受力特征有顯著影響，隨著錨固長度的增加，頂層錨索的極限承載力得到顯著提高，但增加到10m后效果不再明顯。因此，建議錨固長度設(shè)計不超過10m。

4)通過數(shù)值模擬分析各參數(shù)的影響規(guī)律，確定支護(hù)設(shè)計方案，可充分發(fā)揮錨索格梁體系的優(yōu)勢，有效克服傳統(tǒng)設(shè)計的弊端，提高邊坡穩(wěn)定性與安全性。