基于FLAC3D的邊坡支護(hù)方案優(yōu)化研究

楊麗君,趙葉江

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司,貴陽(yáng) 550002)

0 引言

西南地區(qū)分布著大量的順層邊坡,因其特殊的節(jié)理構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)最易發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象,但不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)順層邊坡的加固效果不同,因此有必要研究順層巖質(zhì)邊坡支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)使用FLAC3D中的遍布節(jié)理模型進(jìn)行巖質(zhì)邊坡分析。吳順川[3]等通過(guò)強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,研究了順層邊坡失穩(wěn)時(shí)的破壞形態(tài)及巖石節(jié)理對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。李光揚(yáng)[4]研究了不同開(kāi)挖方法對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響。在錨桿支護(hù)邊坡方面,丁秀美[5]等通過(guò)FLAC3D建立錨索框架三維模型,研究了錨索框架支護(hù)對(duì)邊邊坡內(nèi)部及邊坡坡面應(yīng)力分布的影響。徐前衛(wèi)[6]等采用FLAC3D建立模型,研究了預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)巖體位移變化及應(yīng)力分布的影響,研究表明,在邊坡支護(hù)中使用預(yù)應(yīng)力錨索可顯著減小邊坡位移及附加應(yīng)力的產(chǎn)生。 在抗滑樁支護(hù)邊坡方面,張華[7]、雷文杰[8]采用有限元強(qiáng)度折減法研究了樁間距與樁身長(zhǎng)度對(duì)邊坡滑動(dòng)面的影響規(guī)律,并對(duì)樁的受力情況及加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。譚朝瑞[9]等通過(guò)研究抗滑樁設(shè)置位置對(duì)邊坡應(yīng)力及位移分布的影響,明確指出設(shè)置抗滑樁可有效降低邊坡失穩(wěn)及垮塌風(fēng)險(xiǎn),且抗滑樁宜設(shè)置在邊坡坡腳位置。張永興[10]等研究了土拱在抗滑樁應(yīng)用中的形成與作用。本研究基于三級(jí)支護(hù)的典型順層巖質(zhì)邊坡,通過(guò)FLAC3D建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,對(duì)抗滑樁樁身長(zhǎng)度及樁身截面積、錨桿錨固傾角及錨固長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 工程概況

該順層巖質(zhì)邊坡位于某國(guó)道處,由于公路靠近國(guó)家自然保護(hù)區(qū),刷坡條件有限,擬采用放陡邊坡的方式減少刷坡。但該段坡體節(jié)理發(fā)育,穩(wěn)定性差,放坡后難以自穩(wěn),故需進(jìn)行邊坡支護(hù)。由于邊坡較高,考慮綜合采用抗滑樁及錨桿框架梁的形式進(jìn)行支護(hù)。研究工點(diǎn)處邊坡巖性如下:殘坡積土:褐色、黃褐色,最大揭露厚度0.8 m,呈破碎狀。全風(fēng)化片麻巖:黃綠色、灰褐色,最大揭露厚度8.2 m,呈塊狀結(jié)構(gòu),屬軟巖。強(qiáng)風(fēng)化片麻巖:灰色、灰綠色,最大揭露厚度5.9 m,呈塊狀結(jié)構(gòu),屬軟巖。中風(fēng)化片麻巖:灰色、灰綠色,最大揭露厚度11.2 m,呈塊狀結(jié)構(gòu),屬軟巖。弱風(fēng)化片麻巖:灰白色,最大揭露厚度36.2 m,呈塊狀結(jié)構(gòu),屬堅(jiān)硬巖石。

2 模型建立

以地勘資料為依據(jù),采用FLAC3D建立邊坡模型,如圖1所示,巖體參數(shù)取值如表1所示。模型建立結(jié)束后,在自重作用下應(yīng)力平衡,保留平衡后的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算研究。

表1 FLAC3D巖體力學(xué)參數(shù)取值

圖1 巖質(zhì)邊坡模型Fig.1 Rock slope model

采用巴西劈裂試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)對(duì)巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,模型參數(shù)根據(jù)上述試驗(yàn)進(jìn)行取值。

在模型中心處選取一代表性截面,如圖2所示。采用三級(jí)加固的方式,在破面頂部、中部及坡腳位置分別設(shè)置三排抗滑樁及三組錨桿框架梁支護(hù)結(jié)構(gòu),坡面加固方案如圖3所示,抗滑樁及錨桿計(jì)算參數(shù)如表2、表3所示。

表3 抗滑樁計(jì)算取值

圖2 代表性截面Fig.2 Representative section

圖3 坡面加固方案Fig.3 Slope reinforcement scheme

3 邊坡支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 抗滑樁長(zhǎng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在第一級(jí)抗滑樁設(shè)計(jì)中,樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)為52 m,嵌固深度為5 m。為了探究減少樁身長(zhǎng)度對(duì)水平位移的影響,對(duì)52～48 m不同樁長(zhǎng)的抗滑樁進(jìn)行計(jì)算。由圖4可知,在樁身最開(kāi)始的2 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了擠壓邊坡的負(fù)水平位移,使得該處土體受到擠壓而產(chǎn)生被動(dòng)土壓力,在之后的樁身長(zhǎng)度范圍內(nèi),抗滑樁由于受到土壓力的作用而產(chǎn)生背離土體的水平位移。在樁長(zhǎng)小于49 m時(shí),抗滑樁水平位移發(fā)生突變,水平位移較其他樁長(zhǎng)的水平位移減小0.5 cm,但不同樁長(zhǎng)抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)后,土體水平位移最大不超過(guò)2.5 cm,滿足規(guī)范要求。

圖4 第一級(jí)抗滑樁水平位移變化Fig.4 Change of horizontal displacement of the first stage anti-slide pile

如圖5所示,抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)隨著樁身長(zhǎng)度的減小而逐漸減小,樁身在50～52 m時(shí),抗滑樁的穩(wěn)定系數(shù)變化較小,樁身在小于50 m時(shí),其穩(wěn)定系數(shù)隨著樁身長(zhǎng)度的減小快速減小,故第一級(jí)抗滑樁的樁身長(zhǎng)度經(jīng)優(yōu)化后可設(shè)計(jì)為50 m,此時(shí)水平位移為2.2 cm,穩(wěn)定系數(shù)為1.56,滿足規(guī)范要求。

圖5 第一級(jí)抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.5 Change of stability coefficient of the first stage anti-slide pile

第二級(jí)抗滑樁原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為34 m,嵌固深度為5 m。由圖6可知,抗滑樁底部出現(xiàn)了擠壓土體的負(fù)水平位移,而擠壓土體的位移逐漸減小,在錨固接近錨固長(zhǎng)度時(shí),抗滑樁水平位移已轉(zhuǎn)變?yōu)楸畴x邊坡的水平位移,在超過(guò)錨固深度后,樁身水平位移先有一個(gè)減小的趨勢(shì),這主要是由于抗滑樁穿過(guò)了巖質(zhì)邊坡的構(gòu)造破碎帶,樁身周?chē)鷰r層性質(zhì)突變,使得樁身水平位移發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,之后水平位移隨著樁身長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而增大,在大于25 m時(shí),樁身水平位移保持不變。在第二級(jí)抗滑樁支護(hù)中,不同長(zhǎng)度的抗滑樁水平位移相差不大。 如圖7所示,抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)隨著樁身長(zhǎng)度的減小而減小,在樁身長(zhǎng)度小于31 m時(shí),抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)顯著減小,故第二級(jí)抗滑樁的樁身長(zhǎng)度可取31 m,此時(shí)水平位移為1.4 cm,穩(wěn)定系數(shù)為1.45,滿足規(guī)范要求。

圖6 第二級(jí)抗滑樁水平位移變化Fig.6 Change of horizontal displacement of the second stage anti-slide pile

圖7 第二級(jí)抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.7 Change of stability coefficient of the second stage anti-slide pile

第三級(jí)抗滑樁原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為18 m,嵌固深度為5 m。由圖8可知,第三級(jí)抗滑樁并沒(méi)有出現(xiàn)擠壓邊坡的負(fù)水平位移,而全部都是背離土體的位移,在錨固段范圍內(nèi),抗滑樁水平位移隨著樁身長(zhǎng)度的增加而增加,在錨固段范圍外,抗滑樁水平位移隨著樁身長(zhǎng)度的增加而減小,故在第三級(jí)抗滑樁支護(hù)中,樁水平位移最大值出現(xiàn)在錨固臨界面的位置。

圖8 第三級(jí)抗滑樁水平位移變化Fig.8 Change of horizontal displacement of the third stage anti-slide pile

如圖9所示,抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)隨著樁身長(zhǎng)度的減小而減小,在樁身長(zhǎng)度小于16 m時(shí),抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)顯著減小,故第二級(jí)抗滑樁的樁身長(zhǎng)度可取16 m,此時(shí)水平位移為0.188 cm,穩(wěn)定系數(shù)為1.42,滿足規(guī)范要求。

圖9 第三級(jí)抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.9 Change of stability coefficient of the third stage anti-slide pile

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,不同長(zhǎng)度抗滑樁對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí),抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)都隨著樁身長(zhǎng)度的減小而減小,且在邊坡巖性發(fā)生突變的地方抗滑樁的水平位移也會(huì)發(fā)生突變,在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減短抗滑樁的樁身長(zhǎng)度并不會(huì)引起樁身水平位移的大幅度改變,故在滿足規(guī)范的條件下可通過(guò)減小樁身長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 抗滑樁截面積優(yōu)化設(shè)計(jì)

以第一級(jí)抗滑樁支護(hù)為例,取樁長(zhǎng)為50 m,僅通過(guò)改變抗滑樁截面面積來(lái)研究抗滑樁截面面積對(duì)樁水平位移的影響。由圖10可知,不同截面積抗滑樁水平位移隨樁身長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致,且不同截面積抗滑樁水平位移相差不大,故在樁長(zhǎng)相同的條件下可選用更小截面積的抗滑樁來(lái)進(jìn)行邊坡支護(hù)。

由圖11可知,抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)隨著樁身截面積的減小而減小,在樁身截面積大于6 m2時(shí),穩(wěn)定系數(shù)隨截面積的減小略微減小,在樁身截面積小于6 m2時(shí),穩(wěn)定系數(shù)隨截面積的減小迅速減小,故在第一級(jí)抗滑樁支護(hù)中,抗滑樁截面面積可選為6 m2。

圖11 不同截面積抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.11 Change of stability coefficient of anti-slide pile with different cross-sectional area

由上述研究可知,改變抗滑樁的截面面積并不會(huì)顯著改變樁身的水平位移,但抗滑樁截面面積會(huì)顯著影響抗滑樁穩(wěn)定系數(shù),存在一個(gè)臨界截面積使得樁身截面積在小于臨界面積時(shí),穩(wěn)定系數(shù)隨著截面積的減小迅速減小,而在樁身截面積大于臨界面積時(shí),穩(wěn)定系數(shù)隨著截面積的減小只會(huì)略微減小。

3.3 錨桿嵌入角度優(yōu)化

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,錨桿嵌入角度宜為10°～35°。為了研究錨桿嵌入角度對(duì)順層巖質(zhì)邊坡支護(hù)效果的影響,以第一級(jí)支護(hù)為例,在保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下,通過(guò)改變錨桿嵌入角度來(lái)分析錨桿嵌入角度對(duì)順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

由圖12可知,邊坡最大水平位移隨著錨桿嵌入角度的增大而逐漸減小,這是由于錨桿傾角越大,對(duì)邊坡的拖拽作用越強(qiáng),故對(duì)邊坡水平位移限制越顯著,水平位移隨著錨桿傾角的增大而減小。

圖12 不同傾角下邊坡最大水平位移Fig.12 Maximum horizontal displacement of slope under different inclination angles

由圖13可知,隨著錨桿傾角的增大,錨桿穩(wěn)定系數(shù)在逐漸增大,這主要是由于錨桿嵌入角度越大,對(duì)邊坡的拖拽作用越強(qiáng),對(duì)邊坡的支護(hù)作用就越明顯,故穩(wěn)定系數(shù)隨著錨桿傾角的增加逐漸增大。

圖13 不同傾角下邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.13 Variation of slope stability coefficient under different dip angles

3.4 錨桿錨固長(zhǎng)度優(yōu)化

錨桿傾角越大,邊坡穩(wěn)定系數(shù)越高,故使錨桿傾角保持為33°不變,僅改變錨固段長(zhǎng)度來(lái)研究錨固長(zhǎng)度對(duì)順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

由圖14可知,隨著錨固長(zhǎng)度的增大,邊坡最大水平位移逐漸減小,當(dāng)錨固長(zhǎng)度小于8 m時(shí),邊坡最大水平位移隨著錨固長(zhǎng)度的增加顯著減小,當(dāng)錨固長(zhǎng)度大于8 m時(shí),邊坡最大水平位移隨著錨固長(zhǎng)度的增加,減小速率變緩。

圖14 不同錨固長(zhǎng)度時(shí)邊坡最大水平位移變化Fig.14 Maximum horizontal displacement of slope varies with different anchoring lengths

由圖15可知,邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著錨固長(zhǎng)度的增加而增大,這主要是由于錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng),錨桿與周?chē)鷰r壁摩擦累計(jì)的摩阻力越大,對(duì)錨桿框架的拖拽作用越強(qiáng),故穩(wěn)定系數(shù)隨著錨固長(zhǎng)度的增加而增大。

圖15 不同錨固長(zhǎng)度時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化Fig.15 Stability coefficient of slope varies with different anchoring lengths

4 結(jié)論

對(duì)順層巖質(zhì)邊坡采用抗滑樁與錨桿支護(hù)進(jìn)行研究,在原有的設(shè)計(jì)方案中對(duì)抗滑樁樁身長(zhǎng)度及樁身截面積、錨桿錨固傾角及錨固長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到以下結(jié)論。

不同長(zhǎng)度抗滑樁對(duì)巖質(zhì)邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí),抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)均隨著樁身長(zhǎng)度的減小而減小,在邊坡巖性發(fā)生突變的地方,抗滑樁的水平位移會(huì)發(fā)生突變,在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減短抗滑樁的樁身長(zhǎng)度并不會(huì)引起樁身水平位移的大幅度改變,故在滿足的規(guī)范的條件下可通過(guò)減小樁身長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

改變抗滑樁的截面面積并不會(huì)顯著改變樁身的水平位移,但抗滑樁截面面積會(huì)顯著影響抗滑樁的穩(wěn)定系數(shù),存在一個(gè)臨界截面積使得樁身截面積在小于臨界面積時(shí),穩(wěn)定系數(shù)隨著截面積的減小迅速減小,而在樁身截面積大于臨界面積時(shí),穩(wěn)定系數(shù)隨著截面積的減小只會(huì)略微減小。

邊坡最大水平位移隨著錨桿錨固傾角的增加、錨固長(zhǎng)度的增加而增加,邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著錨桿錨固傾角的增加、錨固長(zhǎng)度的增加而增加,故在進(jìn)行錨桿框架支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)增大錨固傾角和增加錨固長(zhǎng)度提高邊坡穩(wěn)定性