高邊坡施工臨時(shí)支護(hù)方案研究

吳寅文

（廣東恒泰公路工程有限公司，廣東 梅州 514087）

0 引言

公路工程建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，路塹高邊坡存在數(shù)量及類型隨著公路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)展而不斷增多。公路工程為適應(yīng)交通量的發(fā)展需求而不斷改擴(kuò)建，公路高邊坡路段多存在于大范圍復(fù)雜路塹地形中。高邊坡具備施工難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、穩(wěn)定性難以控制的特點(diǎn)。高邊坡開挖是穩(wěn)定性喪失的主要誘因，針對(duì)高邊坡臨時(shí)支護(hù)方案的設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際情況、經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度、環(huán)境、施工技術(shù)等多方面進(jìn)行綜合考慮，邊坡臨時(shí)支護(hù)中多采取錨桿（土釘）加固處理，該方案是目前最為常用、成功經(jīng)驗(yàn)較為豐富的措施。

1 工程概況

廣東省某一級(jí)公路改造工程施工段存在2 處邊坡。其中1 處9 級(jí)，高度93m；1 處6 級(jí)，高度60m，為典型的高邊坡。邊坡地層結(jié)構(gòu)組成如下：上層Q砂質(zhì)黏土，厚度為93m；下層為Z全-微風(fēng)化花崗巖，共分3 層，由上至下分別為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化花崗巖，厚度22m 左右。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)土層物理力學(xué)性能指標(biāo)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定如表1 所示。9 級(jí)高邊坡開挖過(guò)程中，項(xiàng)目組初步設(shè)計(jì)中采取長(zhǎng)度8m 土釘進(jìn)行邊坡支護(hù)，但是自上而下開挖的1、2 級(jí)邊坡出現(xiàn)了較為明顯的貫穿裂縫，3 級(jí)邊坡坡腳處出現(xiàn)滑裂趨勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)不加以防護(hù)則極容易引發(fā)事故，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全造成威脅。為有效確保該段工程施工中高邊坡的穩(wěn)定安全，設(shè)計(jì)單位于該路段開展9 級(jí)邊坡臨時(shí)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，項(xiàng)目組擬在1～3 級(jí)邊坡中采取土釘網(wǎng)噴防護(hù)，土釘長(zhǎng)度分別為8m、18m、20m、22m、24m，并且開展不同土釘長(zhǎng)度下邊坡穩(wěn)定性對(duì)比分析，以此確定最優(yōu)臨時(shí)支護(hù)方案。

表1 土層物理力學(xué)性能指標(biāo)

2 模型分析

2.1 材料參數(shù)

本文采取Flac2d 有限元軟件對(duì)不同土釘長(zhǎng)度支護(hù)高邊坡的變形演化及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其中邊坡材料力學(xué)變形關(guān)系采取Mohr-Coulomb 強(qiáng)度模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)室參數(shù)進(jìn)行賦予，材料參數(shù)如表2 所示。土釘加固材料則采取錨桿單元進(jìn)行模擬，項(xiàng)目組采取的土釘長(zhǎng)度分別為8m、15m、20m、22m、24m。8m 長(zhǎng)土釘為初步設(shè)計(jì)中采取的方案，土釘施工采取一次性注漿施工工藝，設(shè)計(jì)孔徑100mm，土釘采取II 級(jí)螺紋鋼（直徑0.022m），布置間距1.4m（梅花形狀布置）。土釘數(shù)值模擬過(guò)程中，土釘劃分成△l 長(zhǎng)度小單元，其軸向拉應(yīng)力沿小長(zhǎng)度范圍均勻分布，計(jì)算程序?qū)γ總€(gè)步長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算，軸向拉應(yīng)力值則為節(jié)點(diǎn)積分。

表2 巖土計(jì)算模擬物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型構(gòu)建

項(xiàng)目高邊坡模型與現(xiàn)場(chǎng)邊坡坡形一致，模型影響范圍則通過(guò)事先試算確定，模型試算邊界如下：高邊坡左邊界距離開挖坡腳20m，模型右邊界則以臨近公路為界，模型底部邊界則距離坡腳20m。項(xiàng)目高邊坡計(jì)算模型具備246（i）×151（j）個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，模型高邊坡中一級(jí)-二級(jí)邊坡坡比為1∶0.75，三級(jí)-九級(jí)邊坡坡比為1∶1；一級(jí)-八級(jí)邊坡開挖深度均為10m，九級(jí)邊坡開挖深度為13m，高邊坡開挖總深度達(dá)到了93m。除第三級(jí)邊坡平臺(tái)寬度為5m 外，其余不同邊坡之間的平臺(tái)寬度均設(shè)定為2m。土釘長(zhǎng)度的確定主要采取經(jīng)驗(yàn)法，土釘采取鉆孔注漿施工工藝時(shí)，其長(zhǎng)度和坡面高度之比需要控制在0.5～0.8 之間，土釘支護(hù)中設(shè)定其布置間距為1.4m，土釘與水平面之間的角度設(shè)定為11°。現(xiàn)場(chǎng)采取上長(zhǎng)下短的形式進(jìn)行土釘布置，自上而下開挖第一級(jí)、第二級(jí)邊坡中土釘布置長(zhǎng)度可以采取8～24m，第三級(jí)邊坡土釘長(zhǎng)度則設(shè)定為8m 固定值。項(xiàng)目為有限分析不同土釘支護(hù)邊坡的軸向拉力分布規(guī)律，在土釘分布中選取1～8 號(hào)監(jiān)測(cè)土釘，土釘彈性模量2×10MPa，泊松比0.3，重度7800N/m，線膨脹系數(shù)2×10。模型構(gòu)建示意圖如圖1 所示。

圖1 模型構(gòu)建示意圖

2.3 開挖支護(hù)方式

高邊坡開挖模擬主要為不排水情況下進(jìn)行，其開挖時(shí)間相對(duì)較短，模型開挖支護(hù)按照如下過(guò)程進(jìn)行：首先構(gòu)建高邊坡自然模型，初始化自重應(yīng)力下的平衡，達(dá)到自重初始應(yīng)力分布狀態(tài)；其次歸零化自重平衡引起的位移分布，第一步開挖采取model null 命令進(jìn)行，首步開挖起始高程189.39m，繼而支護(hù)1～2 排土釘，并且計(jì)算至平衡狀態(tài)。項(xiàng)目總共需要開挖18步，每一步開挖高邊坡高程-2m，每步增加支護(hù)2 排土釘，計(jì)算至平衡狀態(tài)，項(xiàng)目主要對(duì)頂部三級(jí)邊坡土釘支護(hù)效果進(jìn)行分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 臨空面位移變化

依據(jù)數(shù)值計(jì)算，邊坡開挖結(jié)束后，對(duì)邊坡臨空面的水平位移、垂直位移的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同土釘長(zhǎng)度情況下，自上而下1～3 級(jí)邊坡臨空面的位移變化如圖2 所示。結(jié)果表明，軟土高邊坡開挖過(guò)程中，不同土釘支護(hù)下，高邊坡最大水平位移主要產(chǎn)生在坡腳位置；土釘長(zhǎng)度不斷增大會(huì)導(dǎo)致軟土邊坡臨空面的最大水平位移不斷減小，當(dāng)土釘長(zhǎng)度為8m 時(shí)，臨空面最大水平位移最大；當(dāng)土釘長(zhǎng)度為22～24m 時(shí)，臨空面水平位移最小，且水平位移隨開挖深度變化較為穩(wěn)定，表明土釘能夠較好地發(fā)揮邊坡加固作用，有效限制水平變形。土釘長(zhǎng)度為8m 時(shí)，臨空面水平位移偏大，這主要是因?yàn)橥玲旈L(zhǎng)度過(guò)小，無(wú)法對(duì)邊坡變形造成有效阻礙，難以發(fā)揮保護(hù)效果。1～3 級(jí)軟土高邊坡臨空面垂直位移隨著土釘長(zhǎng)度增大而不斷減??；土釘長(zhǎng)度分布在22～24m 時(shí)，臨空面垂直位移變化幅度偏小，且變形趨于穩(wěn)定。臨空面位移發(fā)展趨勢(shì)表明，8m 長(zhǎng)度土釘基本上處于邊坡變形塑性破壞區(qū)內(nèi)部，支護(hù)效果幾乎為0；土釘逐漸增長(zhǎng)，土釘則會(huì)延伸至邊坡塑性變形區(qū)內(nèi)，且塑性區(qū)隨著土釘長(zhǎng)度增大而不斷往內(nèi)部發(fā)展，塑性破壞區(qū)也較為平緩；釘長(zhǎng)24m時(shí)，塑性破壞區(qū)基本上不存在，其邊坡穩(wěn)定加固效果最為明顯。

圖2 不同土釘長(zhǎng)度下邊坡臨空面位移變化

3.2 軸力變化

不同釘長(zhǎng)情況下的土釘監(jiān)測(cè)軸向拉應(yīng)力變化分布如圖3 所示，本文選取土釘長(zhǎng)度8m、15m、24m 為簡(jiǎn)便分析。結(jié)果表明：不同土釘長(zhǎng)度下，土釘最大軸向拉應(yīng)力主要發(fā)生在3 級(jí)邊坡坡腳，最大軸向拉應(yīng)力為第7 排監(jiān)測(cè)土釘位置處；土釘軸向拉應(yīng)力最大處為邊坡產(chǎn)生最大位移處；隨著土釘長(zhǎng)度的不斷增大，土釘長(zhǎng)度末端區(qū)域分布有軸向拉應(yīng)力最大值，此時(shí)較長(zhǎng)長(zhǎng)度的土釘基本上深入軟土邊坡塑性破壞區(qū)內(nèi)部，土釘軸力較大；土釘末端拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置隨著釘長(zhǎng)變化而表現(xiàn)不同，軸向拉應(yīng)力主要往坡內(nèi)不斷變化，長(zhǎng)度越大，則會(huì)促使滑裂面往內(nèi)部發(fā)展，更有利于邊坡加固。采取土釘錨噴技術(shù)時(shí)，土釘長(zhǎng)度24m 的加固效果最好。

圖3 軸向拉應(yīng)力在不同長(zhǎng)度土釘上的分布情況

3.3 滑動(dòng)面分析

本文為了分析不同排土釘監(jiān)測(cè)的軸向拉應(yīng)力隨著開挖深度的發(fā)展規(guī)律，選取長(zhǎng)度為24m 的土釘分布工況，并且對(duì)每一步開挖過(guò)程中的監(jiān)測(cè)土釘軸向應(yīng)力分布數(shù)值進(jìn)行提取，監(jiān)測(cè)土釘軸向應(yīng)力變化結(jié)果表明：開挖深度的不斷增加，邊坡分布土釘?shù)妮S向拉應(yīng)力均有較為明顯的增加；軟土邊坡開挖結(jié)束之后，最大的軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在第7 排，即3 級(jí)邊坡坡腳位置處，這同時(shí)表明軟土邊坡開挖中，土釘支護(hù)階段的最大位移為邊坡坡腳處。值得注意的是，3 級(jí)邊坡中存在的5、6 排土釘采取的長(zhǎng)度均為8m，并沒(méi)有深入到滑裂面當(dāng)中，隨著開挖深度提升，軸向拉應(yīng)力并沒(méi)有快速增大。監(jiān)測(cè)土釘?shù)淖畲筝S向拉應(yīng)力隨排數(shù)變化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3 所示。1、2 級(jí)邊坡土釘長(zhǎng)度24m、3 級(jí)邊坡土釘長(zhǎng)度8m 時(shí)的潛在滑動(dòng)面，如圖4 所示。

表3 最大軸向拉應(yīng)力變化情況

圖4 24m 土釘情況下的潛在滑動(dòng)面

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)廣東省某一級(jí)公路改造工程施工段9 級(jí)高邊坡進(jìn)行土釘臨時(shí)支護(hù)，該邊坡自上而下開挖第1～3級(jí)支護(hù)專項(xiàng)方案采取的土釘長(zhǎng)度分別為8m、15m、20m、22m、24m，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：初步設(shè)計(jì)采取的8m 長(zhǎng)土釘不能發(fā)揮加固效果，土釘沒(méi)有深入滑裂面中，且土釘隨著土體整體移動(dòng)而發(fā)生破壞，難以產(chǎn)生支護(hù)效果；土釘長(zhǎng)度為22～24m 時(shí)，邊坡能夠得到土釘防護(hù)，土釘深入滑裂面內(nèi)部，邊坡穩(wěn)定性較好。但是實(shí)際過(guò)程中，往往難以采取長(zhǎng)度超過(guò)20m 的土釘，因此現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目組擬采取更為優(yōu)秀的高邊坡加固方案（抗滑樁+土釘防護(hù)組合）。本文所研究的土釘邊坡臨時(shí)支護(hù)結(jié)論能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程提供理論參考。