錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)加固邊坡防護(hù)效果數(shù)值分析

吳 兵, 梁 瑤, 趙曉彥, 李澤洲

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756)

0 引言

我國西南山區(qū)地形陡峭、地質(zhì)復(fù)雜，在地震、暴雨及人為因素共同作用下，區(qū)內(nèi)公路沿線大量高陡裸露巖質(zhì)邊坡時(shí)常出現(xiàn)淺表層風(fēng)化剝落現(xiàn)象，部分裂隙發(fā)育地段甚至出現(xiàn)深層滑塌失穩(wěn)，嚴(yán)重影響道路運(yùn)營安全[1-2]。對(duì)于巖質(zhì)邊坡淺表層失穩(wěn)，工程中常采用SNS主動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)[3-4]；而對(duì)于深層滑塌，則多采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固[5-7]。然而，當(dāng)巖質(zhì)邊坡同時(shí)存在淺表層及深層失穩(wěn)破壞時(shí)，由于SNS主動(dòng)網(wǎng)中的短錨桿無法提供足夠的錨固力，預(yù)應(yīng)力錨索中的端頭也難以對(duì)坡面進(jìn)行全面加固，亟需對(duì)現(xiàn)有邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

為提升山區(qū)公路防災(zāi)減災(zāi)韌性，解決上述工程難題，學(xué)者們基于組合結(jié)構(gòu)聯(lián)合加固技術(shù)，對(duì)“框架錨索+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)”、“主動(dòng)加固+SNS防護(hù)網(wǎng)”及“墊墩錨索+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)”等開展研究，提出一種由墊墩錨索和主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)組合而成的錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[8-10]：墊墩長錨索相比普通主動(dòng)網(wǎng)中的短錨桿而言，可以提供足夠的深層錨固預(yù)應(yīng)力，對(duì)邊坡整體進(jìn)行主動(dòng)加固；墊墩與坡面間的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)在預(yù)張拉后則能有效防止邊坡淺表層發(fā)生失穩(wěn)破壞。

近年來，部分學(xué)者已通過模型試驗(yàn)及理論分析對(duì)錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的加固機(jī)理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，并取得一定進(jìn)展[11-17]。然而，相較于常規(guī)結(jié)構(gòu)，錨-網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，本文通過對(duì)省道S216線K46處典型高邊坡開展錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的邊坡防護(hù)效果數(shù)值分析研究，以期對(duì)其合理設(shè)計(jì)和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

1 錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(見圖1)的突出特點(diǎn)為：在防護(hù)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處采用墊墩預(yù)應(yīng)力錨索代替普通主動(dòng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的短錨桿，形成錨-網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)二者聯(lián)合對(duì)邊坡淺表層和深層進(jìn)行有效加固[11-12]。

圖1 錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)

錨-網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)為防止錨固節(jié)點(diǎn)處主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中的支撐繩因受力產(chǎn)生切割破壞，在錨墩與坡面之間單獨(dú)設(shè)立雙層硬橡膠墊片或尼龍墊片，如圖2所示。支撐繩從墊片之間穿過，在防護(hù)網(wǎng)受力時(shí)，具有足夠變形空間，使錨-網(wǎng)結(jié)構(gòu)聯(lián)合加固邊坡時(shí)，可變形協(xié)調(diào)、協(xié)同受力[12]。

圖2 錨墩與主動(dòng)網(wǎng)接觸處示意

2 三維數(shù)值模擬的定義

為了研究錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)加固邊坡的防護(hù)效果，在相同條件下采用有限差分軟件FLAC3D，同時(shí)建立傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的對(duì)照組模型，進(jìn)行邊坡加固后的防護(hù)效果對(duì)比分析。

2.1 邊坡模型與計(jì)算參數(shù)

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)名稱彈性模量/MPa泊松比重度r/(kN·m-3)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)碎石土800.2518(19.5)20(18)34(33)變質(zhì)砂巖7500.3024(26)40(38)45(44)擋土墻25 5000.2024-- 注: 括號(hào)外為天然工況參數(shù),括號(hào)內(nèi)為暴雨工況參數(shù)。

(a)邊坡模型邊界

(b)地震波加速度時(shí)程曲線圖3 典型高陡邊坡工點(diǎn)模型

2.2 邊坡加固防護(hù)數(shù)值模型

錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和預(yù)應(yīng)力錨索的加固邊坡防護(hù)數(shù)值模型分別如圖4(a)、圖4(b)所示。圖4(a)中模型采用cable和liner單元對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索和主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，單元之間設(shè)置為固定連接，連接形式為node-node連接；圖4(b)中模型采用cable單元對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，無liner單元。結(jié)合潛在滑裂面位置，預(yù)應(yīng)力錨索長度均取20 m(錨固段8 m，自由段12 m)，坡面間距為4 m×4 m，墊墩接觸面大小為0.5 m×0.5 m，鉆孔φ130 mm。單根預(yù)應(yīng)力錨索采用6束φS15.24低松弛鋼絞線(1 860 MPa級(jí))構(gòu)成。預(yù)應(yīng)力錨索錨固參數(shù)以及襯砌單元主要力學(xué)參數(shù)分別見表2、表3。

(a)錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)模型 (b)預(yù)應(yīng)力錨索模型圖4 不同邊坡加固方式數(shù)值模型

表2 預(yù)應(yīng)力錨索錨固參數(shù)參數(shù)類別水泥漿外圈周長/m水泥漿剛度/Pa水泥漿黏聚力/(N·m-1)錨固段0.412×10710×105自由段0.4111

表3 襯砌單元力學(xué)參數(shù)泊松比法向剛度/(N·m-3)切向剛度/(N·m-3)厚度/m彈性模量/GPa0.28×1088×1080.005200

3 數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比分析

對(duì)照組在3種不同的工況下進(jìn)行防護(hù)效果對(duì)比分析，文中數(shù)值模擬編號(hào)Ⅰ-1型、Ⅰ-2型、Ⅰ-3型分別代表錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)在正常、暴雨、地震等3工況下的數(shù)值模型。預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)類同。

3.1 邊坡加固后變形對(duì)比分析

3.1.1水平位移云圖對(duì)比分析

圖5為3種工況下分別采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)和預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)加固邊坡后的水平位移云圖。邊坡加固后最大水平位移值及出現(xiàn)部位如表4所示。

(a)Ⅰ-1型

(b)Ⅱ-1型

(c)Ⅰ-2型

(d)Ⅱ-2型

(e)Ⅰ-3型

(f)Ⅱ-3型圖5 3種工況下2種邊坡加固水平位移等值線(單位：m)

表4 最大水平位移對(duì)比工況類型最大水平位移/cm出現(xiàn)部位Ⅰ-1型0.66邊坡中下部Ⅱ-1型1.33Ⅰ-2型2.17邊坡底部Ⅱ-2型3.25Ⅰ-3型1.39邊坡底部Ⅱ-3型2.22

3.1.2坡面水平位移分布分析

3種工況下分別采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)和預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)加固邊坡后的坡面邊坡水平位移對(duì)比如圖6所示。3種工況下錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)加固邊坡坡面水平位移更小，符合規(guī)范要求，加固效果均強(qiáng)于僅使用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)邊坡。

圖6 3種工況下2種加固方式坡面水平位移分布

3.1.3邊坡總位移云圖分析

圖7為3種工況下分別采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)和預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)加固邊坡后的總位移云圖。邊坡加固后最大總位移值及出現(xiàn)部位如表5所示。

(a)Ⅰ-1型

(b)Ⅱ-1型

(c)Ⅰ-2型

(d)Ⅱ-2型

(e)Ⅰ-3型

(f)Ⅱ-3型圖7 3種工況下2種邊坡加固總位移等值線(單位：m)

表5 總位移對(duì)比工況類型最大總位移/cm出現(xiàn)部位Ⅰ-1型1.02邊坡中下部Ⅱ-1型2.18Ⅰ-2型2.58邊坡底部Ⅱ-2型4.47Ⅰ-3型1.94邊坡底部Ⅱ-3型3.33

其中錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)加固后，邊坡的最大總位移明顯小于預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡的最大總位移值。由此可知，添加高強(qiáng)度主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)后，在邊坡防護(hù)整體安全性上，錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)更具有優(yōu)勢。

3.2 邊坡加固后剪應(yīng)變?cè)隽繉?duì)比分析

圖8為3種工況下分別采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)和預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)加固邊坡后的剪應(yīng)變?cè)隽糠植荚茍D。邊坡加固后剪應(yīng)變?cè)隽壳闆r表6所示。3種工況下，Ⅰ型和Ⅱ型兩種加固方式中預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)固邊坡上部滑體，使得剪應(yīng)變?cè)隽烤簇炌?，這表明邊坡均未遭到破壞。但3種工況下Ⅰ型邊坡剪應(yīng)變?cè)隽烤∮冖蛐瓦吰录魬?yīng)變?cè)隽?，這表明3種工況下，錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)均比預(yù)應(yīng)力錨索加固路塹邊坡安全性更好，更難發(fā)生剪切破壞。

(d)Ⅱ-2型

(e)Ⅰ-3型

(f)Ⅱ-3型圖8 3種工況下2種邊坡加固剪應(yīng)變?cè)隽康戎稻€

表6 剪應(yīng)變?cè)隽繉?duì)比工況類型剪應(yīng)變?cè)隽吭隽繉?duì)比Ⅰ-1型未貫通Ⅰ-1型<Ⅱ-1型Ⅱ-1型Ⅰ-2型未貫通Ⅰ-2型<Ⅱ-2型Ⅱ-2型Ⅰ-3型未貫通Ⅰ-3型<Ⅱ-3型Ⅱ-3型

3.3 邊坡加固后應(yīng)力對(duì)比分析

正常工況下天然挖方邊坡與分別采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)和預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)加固邊坡主應(yīng)力等值線如圖9所示。由圖9最大主應(yīng)力分布可知，邊坡最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力，加固邊坡后其壓應(yīng)力增大，特別是錨索錨固處壓應(yīng)力明顯大于其他部位。天然邊坡坡面最大主應(yīng)力為3.8 kPa，Ⅰ-1型邊坡坡面最大主應(yīng)力為4.3 kPa，Ⅱ-1型邊坡坡面最大主應(yīng)力為4.1 kPa。對(duì)比表明，Ⅰ-1型加固邊坡最大主應(yīng)力大于Ⅱ-1型，且其壓應(yīng)力分布較Ⅱ-1型加固邊坡更加均勻。

(a)Ⅰ-1型最大主應(yīng)力

(b)Ⅱ-1型最大主應(yīng)力

(c)Ⅰ-1型最小主應(yīng)力

(d)Ⅱ-1型最小主應(yīng)力圖9 天然工況下2種邊坡加固主應(yīng)力等值線(單位：Pa)

天然邊坡坡面最小主應(yīng)力為4.11 kPa，Ⅰ-1型邊坡坡面最小主應(yīng)力為5.41 kPa，Ⅱ-1型邊坡坡面最小主應(yīng)力為0.51 kPa。對(duì)比表明，Ⅰ-1型加固邊坡最小主應(yīng)力大于Ⅱ-1型，且其壓應(yīng)力分布較Ⅱ-1型加固邊坡更加均勻。

綜合上述對(duì)比分析可知，采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡進(jìn)行深層加固，可改善挖方邊坡中巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，提升邊坡穩(wěn)定性與安全性。但錨-網(wǎng)結(jié)合的錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)相比傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)邊坡深層及淺表層加固，有效降低高陡巖質(zhì)邊坡后期風(fēng)化、剝落破壞風(fēng)險(xiǎn)，提高道路運(yùn)營安全。值得注意的是，由于淺表層巖土體失穩(wěn)會(huì)對(duì)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)產(chǎn)生下滑作用力，并傳遞給對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)處的預(yù)應(yīng)力錨索，使預(yù)應(yīng)力錨索受力超過深層加固邊坡的設(shè)計(jì)值，因此工程設(shè)計(jì)中預(yù)應(yīng)力錨索鎖定值應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)。

3.4 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將FLAC3D計(jì)算出來的邊坡安全系數(shù)整理后得到加固前后邊坡安全系數(shù)柱狀圖，如圖10所示。

圖10 治理前后邊坡安全系數(shù)

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，采用兩種加固方式治理邊坡后，邊坡穩(wěn)定性均有了不同程度提升，但采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)相較于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)加固邊坡，對(duì)邊坡的安全系數(shù)提升幅度更加顯著。

4 經(jīng)濟(jì)安全與社會(huì)效益比較

現(xiàn)有工程實(shí)踐中多采用含短錨桿的主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅲ型)對(duì)邊坡淺表層進(jìn)行防護(hù)，這實(shí)際上是一種分離式的“預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅲ型)”對(duì)邊坡深層和淺表層進(jìn)行加固防護(hù)。對(duì)坡面防護(hù)單元(4 m×4 m)采用兩種防護(hù)措施進(jìn)行比較，其中主要工程量對(duì)比如表7所示。

表7 邊坡加固防護(hù)措施主要工程量對(duì)比工程防護(hù)措施措施內(nèi)容預(yù)應(yīng)力錨索水泥錨墩尺寸雙層橡膠墊片(層厚3 cm)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)網(wǎng)格單元4 m×4 m25 mm砂漿錨桿措施1錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅰ型)0.35 m2-1根20 m長的6束?s615.24錨索0.5 m×0.5 m高強(qiáng)度鋼繩網(wǎng)16 m2+橫向支撐繩?16 mm×4 m(長)+縱向支撐繩?12 mm×4 m(長)+縫合繩?8 mm×12 m(長)措施2預(yù)應(yīng)力錨索(Ⅱ型)+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅲ型)-1根4 m長錨桿+50 mm鉆孔4.2 m+水泥砂漿

由表7可知，二者的不同之處在于：措施1中需增設(shè)雙層橡膠墊片，措施2中需增設(shè)1根4 m長的25 mm砂漿錨桿。經(jīng)濟(jì)安全與社會(huì)效益對(duì)比：措施1中橡膠墊片耗材費(fèi)用低，施工安裝方便、快捷；措施2中錨桿鋼筋耗材費(fèi)用高，還需在坡面進(jìn)行機(jī)械鉆孔和注漿，工序繁雜且不利于生態(tài)環(huán)保；措施1錨-網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力錨索相比措施2主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)(Ⅲ型)結(jié)構(gòu)中的普通砂漿短錨桿，能對(duì)坡面主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)網(wǎng)格單元提供更有效的約束錨固力，能防止網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)處的錨固構(gòu)件出現(xiàn)“拉脫現(xiàn)象”，可大幅提高坡面防護(hù)的安全度。以上對(duì)比分析表明：錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)加固邊坡具有明顯的經(jīng)濟(jì)安全和社會(huì)效益優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文以西南山區(qū)省道S216線K46處高邊坡為依托，建立數(shù)值分析模型，分別對(duì)錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的位移、應(yīng)變、應(yīng)力分布及安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)3種工況下加固邊坡，在水平位移、總位移及剪應(yīng)變?cè)隽糠矫?，錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)均小于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索加固結(jié)構(gòu)；前者有更優(yōu)的位移場和應(yīng)變場，具有明顯的邊坡防護(hù)優(yōu)勢。

2)3種工況下加固邊坡，在最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力方面，錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)均大于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索加固結(jié)構(gòu)；前者預(yù)應(yīng)力錨索充分發(fā)揮錨固作用力，具有更合理的應(yīng)力場。

3)錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)相比預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡，在暴雨工況、地震工況下邊坡安全系數(shù)差值明顯大于正常工況差值，錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)在暴雨工況及抗震性能方面具有明顯的優(yōu)勢。

4)錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)中預(yù)張拉的高強(qiáng)度柔性網(wǎng)單元，通過節(jié)點(diǎn)處的預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)坡面施加壓應(yīng)力，可有效地限制邊坡淺表層巖土體滑移，有效降低坡面地質(zhì)災(zāi)害的影響，保證邊坡的整體安全。對(duì)比傳統(tǒng)邊坡加固防護(hù)措施，錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)還具有明顯的經(jīng)濟(jì)安全與社會(huì)效益優(yōu)勢。