預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

元 瑛

(長(zhǎng)治市通明公路勘察設(shè)計(jì)有限公司 長(zhǎng)治市 046011)

0 引言

高速公路在運(yùn)營(yíng)使用一段時(shí)間后，由于受到降雨、氣候等因素的影響，邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同程度的損壞，甚至出現(xiàn)滑塌等安全事故[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)陽(yáng)左高速公路某路段高邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重破損，邊坡土體也出現(xiàn)了開(kāi)裂和沉降，直接影響邊坡穩(wěn)定性。為了合理確定邊坡防護(hù)參數(shù)，采用ABAQUS軟件建立計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算分析合理確定樁長(zhǎng)、樁間距、截面尺寸，作為優(yōu)化預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)方案的主要依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

陽(yáng)左高速公路采用雙向四車(chē)道建設(shè)，路線設(shè)計(jì)全長(zhǎng)91.25km，路基設(shè)計(jì)寬度24.5m，設(shè)計(jì)車(chē)速80km/h。高速公路沿線分布有多處高邊坡，主要以巖土混合邊坡和土質(zhì)邊坡為主。其中K53+400左100m至K53+480左60m段、K58+270～K58+360段兩段高邊坡為巖土混合邊坡，邊坡土質(zhì)構(gòu)成主要為石灰?guī)r、粉質(zhì)粘土。高邊坡內(nèi)部裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，局部存在軟弱結(jié)構(gòu)面，存在發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)分析對(duì)比，產(chǎn)生滑坡風(fēng)險(xiǎn)較大，會(huì)嚴(yán)重影響道路施工和運(yùn)營(yíng)安全。建設(shè)階段防護(hù)方式采用漿砌片石護(hù)面墻、擋土墻進(jìn)行防護(hù)，運(yùn)營(yíng)使用一段時(shí)間后邊坡出現(xiàn)破損，亟需進(jìn)行維修加固。

1.2 邊坡病害調(diào)查

自2014年通車(chē)以來(lái)，該區(qū)域邊坡防護(hù)出現(xiàn)了嚴(yán)重變形和破損，主要調(diào)查結(jié)果如下：該區(qū)域邊坡有四級(jí)邊坡，邊坡平臺(tái)寬度為2m，一級(jí)邊坡坡率為1∶1.75，二、三、四級(jí)邊坡坡率為1∶1.5。調(diào)查發(fā)現(xiàn)一級(jí)邊坡?lián)跬翂斠殉霈F(xiàn)破損，上部坡面滲水嚴(yán)重，二、三、四級(jí)邊坡防護(hù)破損嚴(yán)重，且在坡體后緣25m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩條長(zhǎng)大貫通裂縫，裂縫寬度為10～30cm，并出現(xiàn)了不同程度的下沉，下沉量達(dá)到20mm以上。另外，在坡口外50m處，在雨水沖刷作用下形成的沖溝雨水下滲嚴(yán)重，局部出現(xiàn)了開(kāi)裂，但開(kāi)裂情況不嚴(yán)重。為了提高邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進(jìn)行加固防護(hù)。

2 邊坡預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

結(jié)合該路段邊坡病害調(diào)查結(jié)果，在二級(jí)平臺(tái)采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁進(jìn)行防護(hù)，抗滑樁混凝土標(biāo)號(hào)為C25混凝土。三級(jí)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁防護(hù)，錨固段深入滑動(dòng)區(qū)域。通過(guò)在工程地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭露，得出邊坡土體自外向內(nèi)依次為：濕陷性黃土、全風(fēng)化砂巖、滑裂帶、微風(fēng)化砂巖。邊坡土體破碎，穩(wěn)定性差，存在滑塌風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)邊坡坡體表面做削坡處理，削坡后中間平臺(tái)寬度為2.5m。錨索與抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，抗滑樁布置剖面如圖1所示。

圖1 邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)布置剖面圖

表1 錨索與抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)

3 抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

3.1 三維模型建立

本項(xiàng)目三維模型建立采用ABAQUS軟件，將DXF格式文件導(dǎo)入后進(jìn)行分層處理建立邊坡模型。邊坡三維模型建立采用摩爾-庫(kù)倫模型，網(wǎng)格劃分采用C3D6線性六面體網(wǎng)格，并對(duì)二級(jí)平臺(tái)和三級(jí)邊坡進(jìn)行了加密。采用遞增式間距設(shè)置網(wǎng)格間距，對(duì)靠近邊坡的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，遠(yuǎn)離坡面的網(wǎng)格更加稀疏。

在建立模型時(shí)加載初始地應(yīng)力，對(duì)重力加速度g進(jìn)行了初始計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。為了防止模型計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤變形，對(duì)模式設(shè)置約束，分別為模型兩側(cè)的x方向、前后y方向、模型底部x，y，z三個(gè)方向的位移約束限制。

3.2 樁長(zhǎng)優(yōu)化分析

抗滑樁樁長(zhǎng)與截面尺寸、持力層強(qiáng)度等因素有關(guān)，確定樁長(zhǎng)時(shí)還需要考慮邊坡和抗滑樁位移[2]。為了合理確定抗滑樁樁長(zhǎng)，采用ABAQUS軟件建立計(jì)算模型，分別選取樁長(zhǎng)為7m、8m、9m，10m、11m進(jìn)行計(jì)算，得出不同樁長(zhǎng)邊坡安全系數(shù)和抗滑樁位移如表2所示，不同樁長(zhǎng)邊坡和抗滑樁最大位移如圖2所示。

表2 不同樁長(zhǎng)邊坡和抗滑樁最大位移

圖2 不同樁長(zhǎng)邊坡和抗滑樁最大位移

分析表2數(shù)據(jù)，隨著樁長(zhǎng)的增加，邊坡和抗滑樁最大位移不斷下降，安全系數(shù)不斷增大。分析圖2曲線變化趨勢(shì)，當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到9m以后，邊坡和抗滑樁最大水平與豎直位移不斷縮小，曲線變化逐漸趨于平緩。樁長(zhǎng)達(dá)到10m以后，最大位移變化幅度不斷變小，說(shuō)明繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)控制邊坡和抗滑樁位移作用已不明顯。綜合分析，確定抗滑樁樁長(zhǎng)為10m。

3.3 樁間距優(yōu)化分析

樁間距是抗滑樁性能正常發(fā)揮的重要影響因素，樁間距過(guò)小，抗滑樁支護(hù)性能不能充分發(fā)揮，產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)；樁間距過(guò)大，樁間土體會(huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致邊坡土體變形失穩(wěn)[3]。在抗滑樁設(shè)計(jì)過(guò)程中，樁間距通常采用經(jīng)驗(yàn)法和土拱效應(yīng)法兩種方法進(jìn)行合計(jì)，經(jīng)驗(yàn)法主要通過(guò)工程類比確定最佳樁間距，精確度較差，而土拱效應(yīng)法是根據(jù)靜力平衡計(jì)算確定最佳樁間距，精確度較高。

分別取樁間距為2m、3m、4m、5m、6m，采用ABAQUS軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算，得出不同樁長(zhǎng)邊坡和抗滑樁最大位移、安全系數(shù)如表3和圖3所示。

表3 不同樁長(zhǎng)邊坡和抗滑樁最大位移

圖3 不同樁間距邊坡和抗滑樁最大位移

分析表3數(shù)據(jù)和圖3曲線變化趨勢(shì)，隨著樁間距的增加，邊坡和抗滑樁水平最大位移不斷增加，豎直最大位移也不但增加。樁間距達(dá)到6m，邊坡水平最大位移和抗滑樁水平最大位移分別增加了10.19mm和7.24m，垂直最大位移分別增加了4.32mm和1.89mm。相比之下增加幅度明顯，說(shuō)明間距超過(guò)5m后抗滑樁支護(hù)效果會(huì)大幅下降。同樣，隨著樁間距的增加，安全系數(shù)不斷減小，當(dāng)樁間距超過(guò)4m后安全系數(shù)變化幅度較大。綜合考慮各方面的因素，確定樁間距為4m。

3.4 樁截面尺寸優(yōu)化分析

本項(xiàng)目抗滑樁采用矩形截面，設(shè)計(jì)中在充分考慮樁體強(qiáng)度的前提下，還要考慮樁體與土體之間的摩擦力。抗滑樁截面尺寸還與樁間土的土拱效應(yīng)有關(guān)，主要依靠樁體與樁間土之間的摩擦力保證土拱穩(wěn)定[4-5]。在對(duì)樁間距、樁長(zhǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上，分別選取5種截面尺寸，采用ABAQUS軟件建立模型，對(duì)不同樁長(zhǎng)邊坡和抗滑樁最大位移、安全系數(shù)如表4和圖4所示。

表4 不同截面尺寸邊坡和抗滑樁最大位移

圖4 不同截面尺寸邊坡和抗滑樁最大位移

分析表4數(shù)據(jù)變化情況和圖4曲線變化趨勢(shì)，樁截面尺寸越小，邊坡和抗滑樁水平位移越大，截面尺寸達(dá)到1.2m×1.8m以后，隨著截面尺寸的增加，水平位移變化幅度明顯縮小，豎直位移變化趨勢(shì)與水平位移相同。另外，隨著抗滑樁截面尺寸的增加，安全系數(shù)不斷增加，且當(dāng)截面尺寸達(dá)到1.5m×2.25m以后增長(zhǎng)幅度較大。綜合分析上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性等各方面因素確定截面尺寸為1.2m×1.8m，且安全系數(shù)已經(jīng)超過(guò)了1.46。

結(jié)合上述分析結(jié)果，對(duì)原預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，確定抗滑樁最佳樁長(zhǎng)為10m，樁間距為4m，樁截面尺寸為1.2m×1.8m，樁體采用C25混凝土。

4 結(jié)論

結(jié)合陽(yáng)左高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁施工案例，利用ABAQUS軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，合理確定樁長(zhǎng)、樁間距、樁截面尺寸。分析得出以下結(jié)論：

(1)隨著樁長(zhǎng)的增加，邊坡和抗滑樁水平和豎直最大位移不斷下降，安全系數(shù)不斷增大，樁長(zhǎng)達(dá)到10m后位移變化幅度較小，可確定最佳樁長(zhǎng)為10m。

(2)隨著樁間距的增加，邊坡和抗滑樁水平和豎直最大位移不斷增加，安全系數(shù)不斷下降，樁間距達(dá)到4m以上位移增加幅度增加，安全系數(shù)下降到1.46以下，因此確定最佳樁間距為4m。

(3)隨著樁截面尺寸的增加，邊坡和抗滑樁水平和豎直位移不斷下降，截面尺寸達(dá)到1.2m×1.8m以后，位移變化幅度明顯下降，因此確定最佳截面尺寸為1.2m×1.8m。