錨桿格構(gòu)梁與抗滑樁聯(lián)合支護(hù)下邊坡的穩(wěn)定性分析

盧曉強(qiáng)

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn),我國加快了西部地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),高速公路建設(shè)規(guī)模越來越大,覆蓋范圍越來越廣。由于我國地域遼闊、地形復(fù)雜、山地所占面積在國土總面積中的占比>67%,因此在高速公路的設(shè)計(jì)與施工過程中,對(duì)高速公路沿線邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前已有很多學(xué)者針對(duì)邊坡穩(wěn)定性以及邊坡支護(hù)方法進(jìn)行了研究,并取得了大量的研究成果。常用的邊坡穩(wěn)定性方法主要包括極限平衡方法[1]和數(shù)值分析法[2]。其中,數(shù)值分析方法主要包括局部破壞判別法、有限元應(yīng)力法以及強(qiáng)度折減法。陳祖煜、鄭穎人、連鎮(zhèn)營等[3-6]利用有限強(qiáng)度折減法對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了較為全面的研究。葉帥華等[7]針對(duì)西部地區(qū)常見的二元結(jié)構(gòu)深挖路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,以某公路邊坡實(shí)際工程為例,利用有限元方法研究了不同巖土體力學(xué)參數(shù)下邊坡的穩(wěn)定性以及變形破壞特征。劉楊等[8]基于飽和-非飽和滲流理論,建立有限元數(shù)值模型,對(duì)不同降雨條件下邊坡的滲流過程進(jìn)行了模擬,并利用強(qiáng)度折減法對(duì)降雨作用下的邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。邊坡支護(hù)形式主要包括起支擋作用的各類擋土墻、抗滑樁和起錨固作用的系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)等。在實(shí)際的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通常采用支擋與錨固共同作用的結(jié)構(gòu)類型,如錨拉樁、預(yù)應(yīng)力錨索框格梁等。史彧等[9]依托某高速公路改擴(kuò)建工程中的巖質(zhì)邊坡支護(hù)工程,利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型,研究了預(yù)應(yīng)力錨索的長度、傾角和預(yù)應(yīng)力大小對(duì)邊坡支護(hù)效果的影響。

本文以賀州至巴馬公路金秀連接線的某高邊坡支擋工程為例,利用Midas GTS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析該邊坡在錨桿格構(gòu)梁與抗滑樁聯(lián)合支護(hù)下邊坡的穩(wěn)定性,并針對(duì)錨桿格構(gòu)梁進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,討論不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)邊坡支護(hù)效果的影響,以期為其他高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 Midas GTS簡介

有限元方法是目前應(yīng)用廣泛的數(shù)值模擬方法之一,可將復(fù)雜幾何體的計(jì)算難度大大降低。目前應(yīng)用廣泛的有限元軟件主要分為兩大類:通用有限元如ANSYS軟件、ABAQUS軟件等;應(yīng)用于某些特定行業(yè)的專用有限元軟件,如專用于巖土工程領(lǐng)域的Midas GTS軟件等。本文將采取Midas GTS軟件進(jìn)行建模計(jì)算。

Midas GTS(Geotechnical and Tune Analysis System)軟件作為巖土工程領(lǐng)域的大型有限元分析類軟件,可以很好地應(yīng)用于路基、邊坡以及隧道等工程的數(shù)值仿真計(jì)算中。軟件可以提供大量巖土材料常用的本構(gòu)模型,還可以進(jìn)行包括動(dòng)力場、滲流場等的多場耦合計(jì)算,同時(shí)軟件的交互性比其他軟件更好,操作較為簡便。

1.2 工程概況及支護(hù)設(shè)計(jì)方案

本文依托賀州至巴馬公路金秀連接線的某高邊坡支擋工程,該高邊坡擬采用抗滑樁與錨桿格構(gòu)梁聯(lián)合支護(hù)。研究區(qū)內(nèi)地形較為復(fù)雜,總體地勢(shì)呈現(xiàn)中部高南北低的特點(diǎn)。邊坡巖性組成自上而下分為粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化砂巖,其中粉質(zhì)黏土因組成成分和含水率的不同,將其細(xì)分為粉質(zhì)黏土a和粉質(zhì)黏土b兩層。坡面呈現(xiàn)上緩下陡的特點(diǎn),根據(jù)坡度不同可分為4段,坡度分別為10°、20°、13°、55°,對(duì)應(yīng)的坡體垂直高度分別為2.25 m、4.00 m、0.95 m、9.50 m。該邊坡東部1.6 km處存在一條北東走向的活動(dòng)斷裂,傾角為35°～40°。在邊坡附近無地表水的影響,同時(shí)地下水位埋藏較深,可忽略水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

針對(duì)該邊坡采取錨桿格構(gòu)梁與抗滑樁聯(lián)合支護(hù)方案,施工過程中邊開挖邊支護(hù),支護(hù)后的邊坡由上部的傾斜坡面、下部的垂直坡面以及兩者間的平臺(tái)部分構(gòu)成,總坡高約為23 m,其中上部的傾斜坡面的坡率為1∶1,平臺(tái)寬度為4 m。對(duì)上部傾斜坡面采取錨桿格構(gòu)梁支護(hù),格構(gòu)梁的橫梁間距和縱梁間距均為2 m,錨桿設(shè)置在格構(gòu)梁的橫梁與縱梁交叉的節(jié)點(diǎn)處,共設(shè)置了5排錨桿,其中第一排和第五排的錨桿長度為12 m,其余錨桿長度為15 m,角度取15°。對(duì)下部垂直坡面采取錨拉樁支護(hù),樁間距為2.5 m,樁間設(shè)置擋土板,每根抗滑樁上設(shè)置4根預(yù)應(yīng)力錨索,錨索之間的豎向距離為3 m。

1.3 數(shù)值模型的建立

利用Midas GTS軟件對(duì)支護(hù)后的邊坡建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算。在保證其符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡化其計(jì)算模型,建立計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

如圖1所示,x軸方向上的計(jì)算長度為30 m,y軸方向上的計(jì)算長度為65 m。z軸方向上,邊坡背面一側(cè)的高度為40 m;另一側(cè)的高度為22.5 m。設(shè)置模型的邊界條件為:模型底部約束其x、y、z3個(gè)方向的位移,模型四周約束其法向位移,模型其余的臨空面設(shè)為自由邊界。

邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系選取為理想彈性模型,邊坡巖土體的本構(gòu)關(guān)系選取為摩爾-庫侖模型。通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn),得到該模型的力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1、表2所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值表

表2 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值表

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)Midas GTS軟件的計(jì)算結(jié)果,得到邊坡以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移分布。

2.1 邊坡位移分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,得到邊坡表面位移分布如圖2所示。

圖2 邊坡坡面水平位移曲線圖

由圖2可知,在邊坡上部斜坡段,坡表位移隨高程增大先增大后逐漸減小,最大位移出現(xiàn)在與平臺(tái)豎向垂直距離約1 m的位置,位移值為25 mm。在邊坡下部垂直坡段,從坡頂?shù)降谝桓^索位置的坡表位移隨高程增大先增大后減小,在第一根錨索位置以下的坡體,其坡表位移出現(xiàn)多次反復(fù)劇烈的增大和減小。其原因是在預(yù)應(yīng)力錨索以及該部分坡體中存在的多個(gè)不同巖土體分界面產(chǎn)生的共同影響。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,本節(jié)重點(diǎn)對(duì)錨桿軸力以及抗滑樁的彎矩進(jìn)行分析,得到錨桿軸力如下頁圖3所示。

圖3 錨桿軸力變化曲線圖

由圖3可知,每排錨桿的軸力變化趨勢(shì)基本一致,均表現(xiàn)為自錨桿末端到錨桿與格構(gòu)梁的連接處逐漸增大,在錨桿與格構(gòu)梁的連接處達(dá)到最大軸力值。同時(shí),坡體自上而下,錨桿的最大軸力表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì),即第一排錨桿的最大軸力最小,為10.68 kN,第四排錨桿的最大軸力最大,為35.45 kN。

圖4所示為中間抗滑樁的彎矩沿樁身分布圖,樁身正彎矩主要出現(xiàn)在抗滑樁的錨固段,其中最大正彎矩出現(xiàn)在樁底位置,彎矩值為919.32 kN·m,分析其原因?yàn)榭够瑯稑抖饲豆淘诟邚?qiáng)度的弱風(fēng)化砂巖中。樁身負(fù)彎矩主要出現(xiàn)在抗滑樁上部,其中最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在抗滑樁與第四排預(yù)應(yīng)力錨索相交的位置,彎矩值為1 000.01 kN·m。抗滑樁的樁身彎矩在與每根預(yù)應(yīng)力錨索相交的位置均發(fā)生突變。

圖4 中間抗滑樁彎矩變化曲線圖

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的安全系數(shù)是通過強(qiáng)度折減法得到的。強(qiáng)度折減法是在重力加速度不變的情況下,按照式(1)、式(2)的方式對(duì)巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ進(jìn)行折減與更新,逐步降低巖土體的強(qiáng)度指標(biāo),通過多次迭代計(jì)算,求得邊坡巖土體臨界破壞狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),此時(shí)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體實(shí)際的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的比值,即為邊坡的安全系數(shù)Fs[10]。

(1)

(2)

通過強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù),得到原始邊坡的安全系數(shù)為1.54,僅完成格構(gòu)梁與錨桿支護(hù)的邊坡安全系數(shù)為1.88,完成全部支護(hù)后的邊坡的安全系數(shù)為1.92,說明錨桿格構(gòu)梁與抗滑樁聯(lián)合支護(hù)方案對(duì)該邊坡的加固效果很明顯,在加固完成后邊坡的安全系數(shù)較原始邊坡提高了24.6%。

3 邊坡支護(hù)效果的影響因素研究

由前文可知,邊坡上部斜坡段的位移值明顯大于邊坡下部垂直坡段,說明邊坡上部的穩(wěn)定性較差,因此本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)邊坡上部的錨桿格構(gòu)梁支護(hù)結(jié)構(gòu),采取控制變量法,分析不同的格構(gòu)梁截面尺寸、錨桿長度、錨桿安設(shè)角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 格構(gòu)梁截面尺寸對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究格構(gòu)梁截面尺寸對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,分別將格構(gòu)梁的正方形截面邊長取為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m,建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,并求解不同工況下邊坡的安全系數(shù)。不同格構(gòu)梁截面尺寸下的坡面位移和抗滑樁彎矩如圖5所示。

圖5 不同格構(gòu)梁截面尺寸下的坡面位移和抗滑樁彎矩變化曲線圖

如圖5所示,在任意格構(gòu)梁截面尺寸下,邊坡下部垂直段的水平位移最大值均大于邊坡上部斜坡段。隨著格構(gòu)梁截面尺寸逐漸增大,抗滑樁最大彎矩表現(xiàn)出明顯的線性增大趨勢(shì),邊坡上部斜坡段的水平位移最大值逐漸增大,但增速較慢,邊坡下部垂直段的水平位移最大值基本不變,表明格構(gòu)梁截面尺寸對(duì)抗滑樁最大彎矩的影響較大,對(duì)坡面位移的影響較小。

對(duì)不同工況下的邊坡求解安全系數(shù),得到格構(gòu)梁截面邊長為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.65、1.80、1.92、1.93、1.91、1.88,即隨著格構(gòu)梁截面的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高再降低,當(dāng)格構(gòu)梁截面邊長為0.40 m時(shí),邊坡安全系數(shù)最大,邊坡的穩(wěn)定性最高。

3.2 錨桿長度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究錨桿長度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,分別將錨桿長度取為6.0 m、9.0 m、12.0 m、15.0 m、18.0 m,建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,并求解不同工況下邊坡的安全系數(shù)。不同錨桿長度下的坡面位移和抗滑樁彎矩如圖6所示。

圖6 不同錨桿長度下的坡面位移和抗滑樁彎矩變化曲線圖

如圖6所示,抗滑樁最大彎矩隨著錨桿長度逐漸增大而增大,且當(dāng)錨桿長度>9 m時(shí),抗滑樁最大彎矩的增速明顯變大。隨著錨桿長度逐漸增大,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值呈現(xiàn)線性減小的趨勢(shì),邊坡下部垂直段的水平位移最大值先增大再緩慢減小。

對(duì)不同工況下的邊坡求解安全系數(shù),得到錨桿長度為6.0 m、9.0 m、12.0 m、15.0 m、18.0 m時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.11、1.27、1.92、1.91、1.92,即隨著錨桿長度的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高后保持穩(wěn)定。結(jié)合圖6所示,當(dāng)錨桿長度<12 m時(shí),坡面位移較大,抗滑樁彎矩較小,邊坡安全系數(shù)較低,故錨桿長度應(yīng)≥12 m,同時(shí)為節(jié)約材料成本,錨桿長度應(yīng)取為12 m。

3.3 錨桿安設(shè)角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究錨桿安設(shè)角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,分別將錨桿安設(shè)角度取為5°、10°、15°、20°、25°、30°,建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,并求解不同工況下邊坡的安全系數(shù)。不同錨桿安設(shè)角度下的坡面位移和抗滑樁彎矩如圖7所示。

圖7 不同錨桿安設(shè)角度下的坡面位移和抗滑樁彎矩變化曲線圖

如圖7所示,隨著錨桿安設(shè)角度逐漸增大,抗滑樁最大彎矩先增大再減小,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值和下部垂直段的水平位移最大值均基本不變,表明錨桿安設(shè)角度對(duì)抗滑樁最大彎矩的影響較大,對(duì)坡面位移的影響較小。

對(duì)不同工況下的邊坡求解安全系數(shù),得到錨桿安設(shè)角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°時(shí)對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.91、1.98、1.92、1.86、1.70、1.22,即隨著錨桿安設(shè)角度的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高再降低,當(dāng)錨桿安設(shè)角度為10°時(shí)邊坡的安全系數(shù)最大、穩(wěn)定性最高,當(dāng)錨桿安設(shè)角度>25°時(shí)邊坡的安全系數(shù)迅速減小、穩(wěn)定性迅速降低。

4 結(jié)語

本文以賀州至巴馬公路金秀連接線的某高邊坡支擋工程為例,利用Midas GTS軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析該邊坡在錨桿格構(gòu)梁與抗滑樁聯(lián)合支護(hù)下邊坡的穩(wěn)定性,并針對(duì)錨桿格構(gòu)梁進(jìn)行參數(shù)敏感性分析,討論不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)邊坡支護(hù)效果的影響。本文得到的主要結(jié)論如下:

(1)利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù),得到原始邊坡的安全系數(shù)為1.54,僅完成格構(gòu)梁與錨桿支護(hù)的邊坡的安全系數(shù)為1.88,完成全部支護(hù)后的邊坡安全系數(shù)為1.92,在加固完成后邊坡的安全系數(shù)較原始邊坡提高了24.6%,說明錨桿格構(gòu)梁與抗滑樁聯(lián)合支護(hù)方案對(duì)該邊坡的加固效果很明顯。

(2)邊坡下部垂直段的水平位移最大值均大于邊坡上部斜坡段。格構(gòu)梁截面尺寸對(duì)抗滑樁最大彎矩的影響較大,對(duì)坡面位移的影響較小,當(dāng)格構(gòu)梁截面邊長為0.40 m時(shí),邊坡安全系數(shù)最大,邊坡的穩(wěn)定性最高。

(3)隨著錨桿長度逐漸增大,抗滑樁最大彎矩逐漸增大,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值呈現(xiàn)線性減小的趨勢(shì),邊坡下部垂直段的水平位移最大值先增大再緩慢減小。當(dāng)錨桿長度<12 m時(shí),坡面位移較大,抗滑樁彎矩較小,邊坡安全系數(shù)較低,故錨桿長度應(yīng)≥12 m。

(4)錨桿安設(shè)角度對(duì)抗滑樁最大彎矩的影響較大,對(duì)坡面位移的影響較小。隨著錨桿安設(shè)角度的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高再降低,當(dāng)錨桿安設(shè)角度為10°時(shí)邊坡的安全系數(shù)最大、穩(wěn)定性最高,當(dāng)錨桿安設(shè)角度>25°時(shí)邊坡的安全系數(shù)迅速減小、穩(wěn)定性迅速降低。