高速公路改擴(kuò)建高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)研究

鄧暉

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 3610012）

0 引言

高速公路工程作為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)工程，是國家運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)大系統(tǒng)中不可代替的環(huán)節(jié)，在國家經(jīng)濟(jì)和社會綜合發(fā)展過程中具有重要的作用。我國山區(qū)面積占全國陸地總面積60%以上，很多公路不可避免需要穿越山體，這就使得對公路邊坡高度的要求變得越來越高。在公路工程建設(shè)、使用過程中，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，這會帶來很多難題，最常見的是公路邊坡治理。公路邊坡是公路建設(shè)最常見的地質(zhì)環(huán)境之一，因公路邊坡穩(wěn)定性不確定，隨時可能失穩(wěn)破壞，因此需對其穩(wěn)定性重點(diǎn)關(guān)注。在加固邊坡工程中，組合使用預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁，能加快工程施工速度。近年來，關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)研究、抗滑樁理論方面的研究較少。在加固實(shí)際邊坡工程中，使用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁基本憑設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)工程方案，加固效果無法獲得保障，因而優(yōu)化設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡具有重要意義。本文以某高速公路邊坡為研究對象，基于預(yù)應(yīng)力錨索，對該高速公路高邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行了模擬分析和優(yōu)化研究。

1 工程概況

該項(xiàng)目為沿海高速公路，該公路地處構(gòu)造剝燭丘陵地區(qū)，其中K20+065～K20+463 標(biāo)段右側(cè)滑坡，該高速公路采用挖方路壁形式穿過此段，在路線右側(cè)為人工邊坡，高度52m，實(shí)際高程為93m。近期，該邊坡出現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞，本文選取K20+208～K20+290 段為對象進(jìn)行分析。

2 邊坡穩(wěn)定性FLAC3D 計(jì)算模型的建立

FLAC3D 屬于一種三維數(shù)值模擬軟件，該軟件在結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、流體、溫度等領(lǐng)域中進(jìn)行分析研究。在巖土工程領(lǐng)域中，對邊坡支護(hù)穩(wěn)定性分析、計(jì)算基坑進(jìn)行開挖變形、分析隧道支護(hù)應(yīng)力-應(yīng)變等實(shí)際工程中，F(xiàn)LAC3D 應(yīng)用廣泛。FLAC3D 數(shù)值模擬分析軟件在基坑、邊坡支護(hù)、大壩建設(shè)、隧道開挖等工程中普遍應(yīng)用。當(dāng)對多級預(yù)應(yīng)力錨桿支撐邊坡進(jìn)行模擬時，必須與該邊坡施工實(shí)際情況相結(jié)合并進(jìn)行以下假設(shè)：假定邊坡土質(zhì)基本平整，對支撐構(gòu)件按平面應(yīng)力問題分析；假設(shè)模擬過程中地下水埋對邊坡不產(chǎn)生影響；假定預(yù)應(yīng)力錨索材質(zhì)是理想彈性材質(zhì)，并符合變形的相容要求。按照設(shè)計(jì)，以井形方式布設(shè)各級邊坡錨索，按各級邊坡的豎直度布設(shè)了五列錨桿，錨桿之間水平和豎向間距分別為3.2m 和2.6m。錨具型號為JLM-32，錨桿所采用鋼筋級別為HRB335，各列錨桿均使用的外預(yù)應(yīng)力為121kN。在FLAC3D 中，預(yù)應(yīng)力錨桿采用了錨桿構(gòu)造單元Cable 完成了仿真建設(shè)，該設(shè)計(jì)模擬坡面、坡頂均為自由面，該計(jì)算模型屈服Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。圖1 為三維計(jì)算模型。

圖1 三維計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)多級邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)(見圖2)，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)要不小于1.36，安全等級為二級時不小于1.31，邊坡安全等級為三級時不小于1.26。該邊坡安全系數(shù)為1.33，達(dá)到穩(wěn)定性要求。

圖2 邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3 為邊坡的水平位移及豎向位移圖，邊坡水平位移部位集中于邊坡內(nèi)部、坡面。其中，圖3(a)表示在邊坡的坡腳處發(fā)生最大水平位移，圖3(b)表示在邊坡的坡腳處發(fā)生最大邊坡豎向位移。

圖3 邊坡的水平位移及豎向位移圖

3.1 錨固段長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

保持預(yù)應(yīng)力605kN、錨桿傾角為20、錨索方向角65.5等參數(shù)不變，改變錨固段長度為11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.55m 五種工，圖4 為錨固段長度對邊坡安全系數(shù)的影響。

圖4 錨固段長度對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖4 知，隨著預(yù)應(yīng)力錨固段長度的增大，多級邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢。在FLAC3D 計(jì)算結(jié)果中，當(dāng)錨固段長度設(shè)置值低于13.5m 時，該區(qū)間安全系數(shù)隨錨固段長度增大而小幅度減?。划?dāng)錨固段長度設(shè)置值高于2.5m 時，邊坡安全系數(shù)隨錨固段長度值增大快速下降，幅度較大。這表示所設(shè)置的外部預(yù)應(yīng)力錨固性能段長度越小，即錨索越密集，負(fù)荷可由較多數(shù)量錨桿共同承受，因此單條錨桿的承受負(fù)荷值也較小，錨桿對巖石體有良好的約束力，邊坡穩(wěn)定性也越好。本文的理論方法和FLAC3D 模擬得到相同的結(jié)果趨勢，但數(shù)據(jù)上的差別比較小。

3.2 錨索方向角對邊坡穩(wěn)定性的影響

保持錨固段長度13.5m、預(yù)應(yīng)力605kN 等不變，改變 錨 索 方 向 角α，分 別 設(shè) 置 為45.5、55.5、65.5、75.5、85.5，圖5 為安全系數(shù)隨錨索方向角的變化。

圖5 錨索方向角對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖5 知，邊坡安全系數(shù)隨著錨索方向角逐漸增大呈遞增趨勢，在FLAC3D 計(jì)算的安全系數(shù)曲線中，邊坡安全系數(shù)在75.5時最大，其值為1.34。繼續(xù)增大錨索方向角度，邊坡安全系數(shù)降低，邊坡安全系數(shù)隨錨索方向角的增大而增加，上升幅度在到達(dá)頂峰前逐漸變緩，在錨索方向角為45.5～75.5時，邊坡安全系數(shù)比增幅較大，在錨索方向角大于75.5后，趨勢變化幅度縮小，邊坡安全系數(shù)增幅降低。理論方法和FLAC3D 趨勢相同，計(jì)算結(jié)果值比FLAC3D 值要小。

3.3 預(yù)應(yīng)力對邊坡穩(wěn)定性的影響

保持錨固段長度13.5m、錨桿傾角為20、錨索方向角65.5等參數(shù)不變，改變土體預(yù)應(yīng)力c 值，設(shè)置為205kN、405kN、605kN、805kN、1005kN，圖6 為邊坡安全系數(shù)隨土體預(yù)應(yīng)力變化曲線圖。

圖6 預(yù)應(yīng)力對邊坡安全系數(shù)的影響

由圖6 知，在FLAC3D、理論方法對應(yīng)安全系數(shù)曲線中，安全系數(shù)隨土體預(yù)應(yīng)力增大遞增。在預(yù)應(yīng)力值較小時，隨預(yù)應(yīng)力值增大，邊坡安全系數(shù)增長迅速；在預(yù)應(yīng)力值增大到一定程度時，隨著預(yù)應(yīng)力值增大，邊坡安全系數(shù)增大幅度減小。在205kN～805kN 區(qū)間內(nèi)時，預(yù)應(yīng)力值所對應(yīng)安全系數(shù)從1.13 增大到1.38，增長了0.25；在805kN～1005kN 區(qū)間內(nèi)，預(yù)應(yīng)力為1005kN 時的安全系數(shù)值為1.46，增長0.08。這說明隨著預(yù)應(yīng)力值增大，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，在預(yù)應(yīng)力值增大到一定程度時，對安全系數(shù)影響減小。

4 預(yù)應(yīng)力錨索相關(guān)參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)所承載的荷載較小時，土體本身固結(jié)強(qiáng)度足可支撐預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的穩(wěn)定性，土體、錨索幾乎不發(fā)生位移；當(dāng)荷載逐漸變大時，預(yù)應(yīng)力錨索開始出現(xiàn)拉伸變形，將拉力傳給錨固段，此時滑坡下滑的推力由錨固段來承擔(dān)。在設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索時，要將預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)性能當(dāng)作首要考慮因素，結(jié)合對錨索施加錨索傾角、預(yù)應(yīng)力、錨索間距、錨固段的長度等參數(shù)，本文抗滑樁尺寸采用2.5m×3.5m×20.5m，樁間凈距最佳優(yōu)化值4.05m，樁錨固深度采用優(yōu)化值為7.5rn。

4.1 錨固段長度的影響分析

在確定預(yù)應(yīng)力錨索錨固段長度時一般采用理論計(jì)算法、規(guī)范類推法以及現(xiàn)場試驗(yàn)法等。根據(jù)錨索錨固段最遠(yuǎn)端軸力的衰減值對錨固段長度進(jìn)行優(yōu)化。變動錨索錨固段長度，取11.5m、12.5m、13.5m、14.5m、16.5m 建立五組模型，原模型默認(rèn)參數(shù)為：M10～M14 錨索自由段所承受的預(yù)應(yīng)力大小為505kN、保持錨固段長度13.5m、錨桿傾角為20，M10設(shè)計(jì)拉力值為805kN。

4.1.1 錨固段長度對錨固段軸力的影響分析

錨固段軸力受到錨固段長度的影響如圖7 所示，由圖7 知，當(dāng)向M10～M14 所施加的預(yù)應(yīng)力大小相等時，衰減速度各不相同，其中邊坡頂部的衰減速度相對較快，這是由于在邊坡頂部處錨索所承受的滑坡下滑推力最小，邊坡帶動錨索所產(chǎn)生的位移最小。錨索M10 的最佳錨固段長度為14.5m，錨索M11～M14 的最佳錨同段長為10.5m。

圖7 錨固段長度對錨固段軸力的影響

4.1.2 錨索錨固段長度對邊坡和抗滑位移、剪力及彎矩的影響分析

對錨索施加一定預(yù)應(yīng)力時，隨錨索錨固段長度增加，柱頂、邊坡的最大位移、樁體最大剪力隨之減少，當(dāng)錨固段的長度變大時，樁體最大彎矩會相應(yīng)增大，即彎曲程度進(jìn)一步降低（見表1）。隨著錨固段長度的增大，在開始階段各種參數(shù)產(chǎn)生了明顯改變，逐步增加當(dāng)錨固段長度達(dá)到10.5m 后，各種參數(shù)的變化逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)錨固性能段長度為一定值后，隨著高度增加可以提高錨頭的支護(hù)性能效果，當(dāng)錨頭強(qiáng)度達(dá)到了極限值，則錨固性能段長度即為臨界錨固長度。因此，并非錨固段越長越好，但同樣不可過短，因?yàn)殄^固過短會將錨固地基局部剛度降低，增加了錨固端風(fēng)險。所以，在設(shè)定錨索的錨固段長度時，必須通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理取值。當(dāng)錨索M11～M14 自由段施加505kN 預(yù)應(yīng)力時，錨索錨固段最佳錨固長度為10.5m。

表1 錨固段長度對邊坡和抗滑位移、剪力及彎矩的影響

4.2 錨索方向角的影響分析

錨索方向角指錨索與滑裂所成銳角，錨索方向角會直接影響錨索受力、錨索長度，因此有必要合理選擇。從施工工藝角度考慮錨索方向設(shè)置時，應(yīng)和滑裂線下傾夾角為宜，一般下傾角為50.5～60.5時錨索受力最佳。對于不同方向角時的模型，采用定義施工階 段 方 法 批 量 分 析。建 立45.5、55.5、65.5、75.5、85.5錨索網(wǎng)格，邊坡最大水平位移以及樁身最大負(fù)彎矩在錨索角度變化時受到的影響如表2 所示。

表2 錨索方向角對邊坡最大水平位移及樁身最大負(fù)彎矩的影響

由表2 知，隨錨索方向增加，樁身最大負(fù)彎矩、邊坡的最大水平位移趨勢相同，隨錨索方向角度的增大而遞減，在50.5～60.5范圍內(nèi)取平均值，說明錨索的支撐效果良好，而且當(dāng)超過最優(yōu)方向角度后，隨錨索方向角度增大，二者均相應(yīng)增加，當(dāng)超過85.5時，遞增趨勢明顯加快，當(dāng)錨索方向角度α＞85.5后，錨頭注架高度下降明顯，砂漿與巖壁間會有脫離現(xiàn)象發(fā)生，錨索拉力可分解為與滑面滑移方向相切切向分力、垂滑面的法向分力，滑裂在切向分力作用下會加快，增大了邊坡位移，樁身負(fù)彎矩也增加。該高速公路高邊坡路段錨索最優(yōu)方向角采用55.5～65.5，該項(xiàng)目采用方向角55.5位于最優(yōu)方向角范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文以某高速公路邊坡為研究對象，基于預(yù)應(yīng)力錨索，對該高速公路高邊坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行了模擬分析和優(yōu)化研究，得出如下結(jié)論：

其一，當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨固段的長度變大時，坡度安全系數(shù)會有所下降。隨著預(yù)應(yīng)力錨固段長度的增大，多級邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢。當(dāng)錨固段長度設(shè)置值高于2.5m 時，邊坡安全系數(shù)隨錨固段長度值增大快速下降，幅度較大。其二，當(dāng)錨索錨固段長度發(fā)生變化時，樁身位移和內(nèi)力出現(xiàn)顯著的變化，錨固長度段越長，樁體水平位移越小、支撐構(gòu)件內(nèi)力變化越小，當(dāng)最優(yōu)的預(yù)測錨固性能段長度達(dá)到后，各參量變動已趨于穩(wěn)定。其三，邊坡中心也是埋設(shè)防滑樁的首選部分，最大接觸面積處于樁與下滑面的下滑混凝土體間，樁頂部位周圍土體水平移動較大。但實(shí)際施工的時候錨索方向角在0～85.5的范圍內(nèi)取值，當(dāng)α＜0或α ＞85.5時，錨索應(yīng)力并不能發(fā)揮加固坡度的效果，反而對邊坡穩(wěn)定性不利。該項(xiàng)目錨索預(yù)應(yīng)力最優(yōu)值為705kN，錨索錨固段最佳錨固長度為10.5m，方向角55.5位于最優(yōu)方向角范圍內(nèi)。