某路塹高邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿支護參數(shù)優(yōu)化分析

韓偉華

(山西黎霍高速公路有限公司 長治市 046000)

多山地區(qū)中修路不可避免需要開挖形成高路塹邊坡，邊坡穩(wěn)定性對道路交通安全至關(guān)重要。針對邊坡的支護方式較多，有包括錨桿支護、設(shè)置抗滑樁或擋土墻，還有通過減小不穩(wěn)定土體自重使邊坡達到穩(wěn)定狀態(tài)的削坡法[1-2]，但其中最常見的支護方式還是錨桿支護方式。針對邊坡支護參數(shù)的優(yōu)化相關(guān)學(xué)者已有研究[3-5]，針對某路塹高邊坡開挖，基于Midas/GTS有限元軟件對預(yù)應(yīng)力錨桿支護參數(shù)進行了優(yōu)化分析研究，為類似工程開挖支護提供有價值的參考。

1 工程概況

某路塹巖質(zhì)邊坡地處丘陵地區(qū)，為均質(zhì)邊坡，土體主要以強風(fēng)化碳質(zhì)砂巖組成。邊坡采用1∶1.2比例系數(shù)，左側(cè)進行兩級放坡，右側(cè)一級放坡，每級坡高20m，馬道寬度設(shè)置為2m，邊坡斷面示意圖如圖1所示，具體巖體參數(shù)如表1所示。

表1 巖體參數(shù)表

圖1 邊坡初始狀態(tài)斷面示意圖

2 模型參數(shù)及分析工況

2.1 強度折減法

強度折減法是將土體的抗剪強度指標在外荷載不變的前提下進行不斷折減，使土體處于極限平衡時的折減系數(shù)即是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[6]。通過不斷調(diào)整巖土體的粘聚力c及內(nèi)摩擦角φ，將巖土體的強度參數(shù)折減Ftrial倍后得到新的強度參數(shù)(Cnext及φnext)代入有限元中進行計算，當(dāng)計算得到邊坡失穩(wěn)時，相應(yīng)的折減系數(shù)Ftrial即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

強度折減法折減公式見式(1)及式(2)所示。

Cnext=c/Ftrial

(1)

φnext=arctan[(tanφ)/Ftrial]

(2)

2.2 本構(gòu)模型

本次有限元計算選取彈塑性模型，德朗克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準則[7]，其數(shù)學(xué)表達式為：

I1=σ1+σ2+σ3

(3)

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 支護方案及相關(guān)參數(shù)

本工程采用的是預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案，其預(yù)應(yīng)力錨桿組成如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護原理

預(yù)應(yīng)力錨桿支護的基本原理是將錨桿錨固到深層地層中，固定后施加預(yù)應(yīng)力，通過錨桿周圍巖土體抗剪強度對結(jié)構(gòu)物拉力進行傳遞，增強土層強度以使土體開挖臨空面保持穩(wěn)定。

2.4 數(shù)值模型建立及分析工況

利用Midas/GTS有限元軟件中邊坡穩(wěn)定性分析模塊(SRM)對邊坡的初始狀態(tài)穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，建立網(wǎng)格模型如圖3、圖4所示。

圖3 邊坡開挖過程模型

圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿支護模擬

采取的支護方式的預(yù)應(yīng)力錨桿支護，施加預(yù)應(yīng)力值200kN，錨桿及混凝土等支護參數(shù)見表2。

表2 支護參數(shù)表

2.5 模擬工況

從錨桿長度、錨桿傾角以及錨桿水平間距三個參數(shù)對預(yù)應(yīng)力錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化分析，具體模擬工況如表3。

表3 模擬分析工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 邊坡初始狀態(tài)結(jié)果

圖5為模擬分析得到的邊坡初始狀態(tài)塑性區(qū)分布圖。

圖5 邊坡初始狀態(tài)塑性區(qū)分布

從圖5可以看出，此時邊坡的整體塑性區(qū)分布范圍較大，邊坡表層存在潛在滑移土體，從坡頂位置貫穿至坡底位置，最大塑性變形為1.704×10-1，此時邊坡的安全系數(shù)值為1.07，可以發(fā)現(xiàn)此時邊坡整體穩(wěn)定性較差，邊坡處于接近臨界失穩(wěn)狀態(tài)，表層土體潛在滑動面極可能存在發(fā)生邊坡破壞。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護參數(shù)優(yōu)化

3.2.1錨桿水平間距優(yōu)化

通過分析不同錨桿長度下，錨桿水平間距對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析得到不同工況下邊坡的安全性系數(shù)如圖6所示。

圖6 錨桿水平間距對邊坡安全系數(shù)影響

從圖6可以看出，在相同錨桿長度下，邊坡安全系數(shù)隨著錨桿水平間距的增大逐漸減小，且錨桿水平間距設(shè)置大于4m后，邊坡安全系數(shù)隨著錨桿水平間距的增大減小幅度不斷增大，最小安全系數(shù)僅為1.06，可以說明錨桿間距設(shè)置越小，錨桿布置的越密集，能夠承受邊坡滑移土體產(chǎn)生的荷載越多，單根錨桿受力相對更小，邊坡的穩(wěn)定性也越好，再考慮施工成本，邊坡水平間距選取3～4m最佳。

3.2.2錨桿傾角優(yōu)化

(1)錨桿軸力

圖7為模擬分析得到的錨桿受力分布情況。

圖7 錨桿軸力分布

從圖7可以看出，錨桿軸力較小值均位于錨桿錨固段，且隨著角度的變化錨固段軸力值變化較小，可以說明錨桿角度變化下錨桿均處于正常錨固狀態(tài)。錨桿軸力最大值位于錨桿自由段，且軸力越大說明錨桿發(fā)揮的作用越大。

錨桿軸力最大值分析錨桿傾角對錨桿軸力的變化影響如圖8。

圖8 錨桿傾角對錨桿最大軸力影響

從圖8中可以看出，錨桿傾角從15°增大至30°，錨桿軸力最大值均不斷減小，在從15°增大至20°時錨桿軸力最大值減小幅度較小，當(dāng)錨桿傾角從20°繼續(xù)增大后錨桿最大軸力的減小幅度有所增大；當(dāng)錨桿傾角增大至40°錨桿最大軸力最小?？梢钥闯鲥^桿傾角在15°～20°時錨桿所發(fā)揮的作用達到最大。

(2)邊坡安全系數(shù)

下面從邊坡安全系數(shù)角度分析錨桿傾角參數(shù)的優(yōu)化，如圖9所示。

圖9 錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)影響

從圖9可以看出，隨著錨桿傾角增大，邊坡安全系數(shù)在不斷減小，當(dāng)錨桿傾角在15°～20°左右時邊坡安全系數(shù)基本達到最大值，此時邊坡穩(wěn)定性最優(yōu)，這與從錨桿受力角度分析得到的結(jié)論基本一致，故認為錨桿最佳傾角設(shè)置為15°～20°。

3.2.3錨桿長度優(yōu)化

統(tǒng)計所有工況相同錨桿長度下邊坡的安全系數(shù)分布情況，如圖10所示。

從圖10中可以看出，錨桿長度越長，邊坡安全系數(shù)離散性越小，邊坡安全性系數(shù)越為集中，可以認為在錨桿長度一定時，變換其他錨桿參數(shù)，錨桿長度越長對控制邊坡穩(wěn)定性能力越大，邊坡穩(wěn)定性也越高。錨桿長度從9m增大至18m，邊坡的平均安全系數(shù)分別為1.15、1.21、1.26和1.30，可以發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數(shù)增大趨勢有所減緩，因此考慮到施工成本情況下，錨桿長度宜選取12～15m。

圖11為錨桿長度l=12m、錨桿傾角α=15°及錨桿間距Sx=3m下邊坡開挖完成后的塑性區(qū)分布圖，邊坡最大塑性值僅為4.57×10-2，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

圖11 邊坡開挖完成后塑性區(qū)分布(l=12m,α=15°,Sx=3m)

4 結(jié)論

針對某工程路塹高邊坡，基于Midas/GTS有限元軟件對預(yù)應(yīng)力錨桿支護參數(shù)進行了優(yōu)化分析研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)錨桿間距設(shè)置越小，錨桿布置的越密集，能夠承受邊坡滑移土體產(chǎn)生的荷載越多，單根錨桿受力相對更小，邊坡的穩(wěn)定性也越好，此工程邊坡水平間距選取3～4m最佳。

(2)從錨桿受力角度分析得到錨桿傾角在15°～20°時錨桿所發(fā)揮的作用達到最大；從邊坡安全系數(shù)角度分析當(dāng)錨桿傾角在15°～20°時邊坡安全系數(shù)基本達到最大值，此時邊坡穩(wěn)定性最優(yōu)，與從錨桿受力角度分析得到的結(jié)論基本一致，故認為錨桿最佳傾角設(shè)置為15°～20°。

(3)錨桿長度越長，邊坡安全系數(shù)離散性越小；在變換其他錨桿參數(shù)時，錨桿長度越長對控制邊坡穩(wěn)定性能力越大，邊坡穩(wěn)定性也越高。且隨著錨桿長度的增大，邊坡安全系數(shù)增大趨勢有所減緩，錨桿長度宜選取12～15m。