川西南公路順層邊坡樁錨組合結(jié)構(gòu)加固分析
——以樂(lè)西高速ZK9+352～ZK9+526邊坡為例

劉正威, 鄔 凱, 羅曉龍, 閔 祥, 陳 沛, 唐 爽, 李 濤

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司, 成都 610041; 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 成都 610041;3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 成都 610031)

順層邊坡指邊坡走向與巖層近于平行,巖層傾向與坡向交角不超過(guò)30°,且邊坡坡角大于巖層傾角的層狀結(jié)構(gòu)邊坡[1-5]。受構(gòu)造、巖性、地殼抬升等因素影響,順層邊坡廣泛分布,坡體內(nèi)部巖體軟弱夾層發(fā)育或?qū)娱g結(jié)合差,部分發(fā)育層間錯(cuò)動(dòng)帶或構(gòu)造光滑鏡面,受開(kāi)挖、降雨等誘因作用,其平面滑動(dòng)主要表現(xiàn)為邊坡在自重及其他荷載作用下沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生順層滑移破壞,失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高,破壞嚴(yán)重,治理成本昂貴[6-10]。四川盆地是我國(guó)的典型紅層分布區(qū),其順層邊坡具有區(qū)域群發(fā)、危害嚴(yán)重、治理成本高等特點(diǎn)[11-14]。

坡腳開(kāi)挖是含軟弱夾層順層邊坡失穩(wěn)滑動(dòng)的另一突出誘因。軟硬相間順層邊坡中往往存在多個(gè)薄層狀擠壓破碎帶,在地下水長(zhǎng)期作用下逐漸形成軟弱夾層[15-16]。對(duì)于含軟弱夾層的順層邊坡,在構(gòu)造裂隙與軟弱層面耦合作用下,常發(fā)生緩慢、持續(xù)、漸進(jìn)的蠕變變形,且不同部位的變形程度存在差異[17-18]。工程建設(shè)開(kāi)挖揭露某一軟弱夾層后,其上覆巖土體在重力作用下易于滑動(dòng),且進(jìn)一步開(kāi)挖后揭露下一層軟弱夾層時(shí)往往會(huì)再次發(fā)生滑動(dòng),形成多層式順層滑坡[15]。胡斌等[19]以某公路軟硬互層邊坡為例,基于開(kāi)挖卸荷理論,采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明最大不平衡力、最大水平位移值、剪應(yīng)變最大值隨開(kāi)挖步數(shù)的增加累積增大。唐紅梅等[20]認(rèn)為邊坡位移對(duì)開(kāi)挖過(guò)程反映比較敏感,量值突增現(xiàn)象顯著。馬洪生等[21]研究了開(kāi)挖面陡傾程度對(duì)松弛區(qū)范圍的影響,認(rèn)為開(kāi)挖松弛范圍隨開(kāi)挖角度的增大而增大。穆成林等[22]認(rèn)為陡坡度開(kāi)挖下邊坡變形破壞規(guī)模大,穩(wěn)定較差,滑坡深層由層間泥化夾層剪切以及陡傾裂隙組合形成階梯狀滑面,整體以滑移-拉裂深層失穩(wěn)為主。蘇培東等[23]考慮軟弱夾層的應(yīng)變軟化特性,認(rèn)為含軟弱夾層順層邊坡的漸進(jìn)破壞為自坡腳沿軟弱夾層延伸至坡頂,并在坡頂產(chǎn)生拉張破壞。

本文以樂(lè)山至西昌高速公路馬邊至昭覺(jué)段S1標(biāo)段某順層高邊坡為例,通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),研究了順層邊坡開(kāi)挖卸荷后的應(yīng)力和位移特征,并進(jìn)一步探討了樁錨組合結(jié)構(gòu)對(duì)于該類工程邊坡加固的適用性。研究結(jié)果利于工程設(shè)計(jì)和施工借鑒。

1 工程背景

圖1 馬邊河流域構(gòu)造綱要及順層滑坡分布

在場(chǎng)地出露的巖層測(cè)得產(chǎn)狀:280°∠18°。其中主要發(fā)育兩組節(jié)理,L1:30～50°∠60～70°,切割深度大于4.0 m,裂隙面平整,平面延伸>10.0 m,間距約3.0 m,最大張開(kāi)寬度5～10 cm;L2:120～140°∠65～85°,延伸長(zhǎng)度約4.0 m,切割深度大于3.0 m,間距約2 m,閉合—微張,無(wú)充填,各組節(jié)理裂隙面較平直、較光滑。鉆探揭露滑體平均厚度13.3 m,斜坡坡長(zhǎng)214 m。

2 順層邊坡樁錨組合加固數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型

依據(jù)樂(lè)西高速馬邊至昭覺(jué)段ZK9+352 ～ ZK9+526左側(cè)典型斷面建立有限元模型,如圖2所示。其中,無(wú)支護(hù)條件下的模型用以驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性,抗滑樁與錨索支護(hù)條件下的模型用以分析順層巖質(zhì)邊坡的漸進(jìn)破壞特征與穩(wěn)定性情況。兩種模型尺寸相同,長(zhǎng)為269.0 m,高為121.42 m,足以消除邊界條件對(duì)結(jié)果的不利影響。有限元模型分為滑體、滑面、基巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)4部分。其中,滑體與基巖均為層狀巖體,賦予其線彈性模型,滑面賦予彈塑性損傷模型。支護(hù)結(jié)構(gòu)中:①抗滑樁與巖體界面法向接觸為硬接觸,切向接觸通過(guò)給定罰函數(shù)系數(shù)進(jìn)行設(shè)置(取0.384);②預(yù)應(yīng)力錨索使用Truss單元模擬,采用T2D2單元類型進(jìn)行網(wǎng)格離散,并將其分為錨固段與自由段,錨固段使用嵌入約束(Embedded),而自由段不施加約束;③預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁間的連接使用Coupling節(jié)點(diǎn)耦合約束。

圖2 有限元數(shù)值計(jì)算模型

無(wú)支護(hù)條件下的計(jì)算模型采用CPE4和CPE3(平面應(yīng)變單元)進(jìn)行網(wǎng)格劃分;抗滑樁與錨索支護(hù)條件下的計(jì)算模型僅使用CPE4進(jìn)行網(wǎng)格劃分。特別的是,兩種模型均對(duì)滑體的開(kāi)挖區(qū)域和整個(gè)滑面部分的網(wǎng)格劃分需進(jìn)行細(xì)化,以保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。兩種模型賦予約束條件:模型底邊施加固定約束、左右邊界施加水平約束、其余邊界自由。

2.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

基于勘察資料與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,確定順層巖質(zhì)邊坡計(jì)算參數(shù),見(jiàn)表1～表4。無(wú)支護(hù)條件下計(jì)算僅考慮邊坡自重應(yīng)力,分為兩步:①邊坡地應(yīng)力平衡;②坡體一次開(kāi)挖完成。支護(hù)條件下的計(jì)算工況見(jiàn)表5。

表1 滑體與基巖計(jì)算參數(shù)

表2 滑面計(jì)算參數(shù)

表3 抗滑樁及框架梁計(jì)算參數(shù)

表4 預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)計(jì)算參數(shù)

表5 支護(hù)條件下的計(jì)算工況

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 無(wú)支護(hù)狀態(tài)計(jì)算分析

邊坡無(wú)支護(hù)狀態(tài)下數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖3可見(jiàn),順層邊坡開(kāi)挖后坡腳位置位移最大(32.52 mm),位移沿滑面自坡腳往后緣分布呈指數(shù)型平滑遞減。采用1.5 mm為位移閾值,可得其首次滑移長(zhǎng)度為192.5 m,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值(183 m)的誤差為5.20%。

圖3 無(wú)支護(hù)條件下滑面位移分布

由圖4可見(jiàn),無(wú)支護(hù)狀態(tài)下順層邊坡開(kāi)挖后滑面上剪應(yīng)力增量在坡腳位置為最小值,其隨滑面向坡體后緣先增長(zhǎng)后降低;從滑面損傷變量來(lái)看,剪應(yīng)力增量臨近峰值時(shí),損傷變量開(kāi)始降低,且二者衰減具有同頻特征。根據(jù)滑面彈塑性損傷本構(gòu)模型,其損傷臨界位置距離坡腳184.72 m,即滑面損傷段長(zhǎng)度。

圖4 無(wú)支護(hù)條件下應(yīng)力增量與損傷變量變化規(guī)律

圖5顯示,順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs隨計(jì)算步長(zhǎng)的增長(zhǎng)近似呈線性衰減,這表明順層邊坡在開(kāi)挖擾動(dòng)下的破壞是具有漸進(jìn)破壞特征的。此外,開(kāi)挖完成后Fs=1.157

圖5 無(wú)支護(hù)條件下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

2.3.2 支護(hù)狀態(tài)計(jì)算分析

采用圖2(b)所示樁錨組合結(jié)構(gòu)加固該邊坡,數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6可見(jiàn),支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下不同開(kāi)挖步的滑面位移均得到有效控制,W4開(kāi)挖步施作時(shí)有明顯位移增長(zhǎng),但開(kāi)挖完成后最大位移值僅3.7 mm,較無(wú)支護(hù)條件下降低88.62%。這表明,在先期邊坡開(kāi)挖后框架錨索及抗滑樁等支擋措施及時(shí)施作后,順層邊坡坡腳得到高于開(kāi)挖卸荷的被動(dòng)荷載補(bǔ)償,整體穩(wěn)定性將得到有效控制。

圖6 支護(hù)條件下滑面位移分布

由圖7可見(jiàn),滑面損傷變量隨開(kāi)挖步的進(jìn)行而持續(xù)增大,開(kāi)挖后滑面最大損傷變量為0.064,相較于無(wú)支護(hù)狀態(tài)下滑面損傷程度降低84.75%。損傷段長(zhǎng)度為43.93 m,相比無(wú)支護(hù)狀態(tài)下降低76.22%。

圖7 支護(hù)條件下?lián)p傷變量變化規(guī)律

由圖8可見(jiàn),樁錨組合結(jié)構(gòu)加固后邊坡開(kāi)挖完成時(shí)Fs=1.448>k=1.25,即不滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中的相關(guān)規(guī)定,較無(wú)支護(hù)狀態(tài)提高25.2%。這說(shuō)明,樁錨組合結(jié)構(gòu)加固順層邊坡能夠有效控制坡體的整體穩(wěn)定狀況。

圖8 支護(hù)條件下邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算中所提樁錨組合結(jié)構(gòu)對(duì)順層邊坡的加固效果,對(duì)樂(lè)西高速馬邊至昭覺(jué)段ZK9+352～ZK9+526左側(cè)順層巖質(zhì)邊坡實(shí)施施工全生命周期監(jiān)測(cè),通過(guò)坡體深部位移、支擋結(jié)構(gòu)受力特征等信息反饋加固效果,并驗(yàn)證本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

3.1 監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)該工點(diǎn)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案如圖9(考慮文章篇幅,此處僅給出ZK9+466斷面)所示。其中,測(cè)點(diǎn)類型包括邊坡傾角增量、深部位移、錨索應(yīng)力和抗滑樁樁身彎矩。邊坡傾角增量通過(guò)傾角儀測(cè)量;邊坡深部位移采用測(cè)斜儀人工監(jiān)測(cè);錨索應(yīng)力利用錨索計(jì)獲取;抗滑樁樁身彎矩基于鋼筋計(jì)所測(cè)得目標(biāo)鋼筋的應(yīng)力值,按照式(1)進(jìn)行計(jì)算:

(1)

式中:M為樁身彎矩;d為同截面上兩個(gè)鋼筋計(jì)的距離;σ1、σ2為鋼筋計(jì)的應(yīng)力值,拉為正,壓為負(fù);Ec為混凝土的彈性模量,取30 kN/mm2;Es為鋼筋計(jì)的彈性模量,取200 kN/mm2;Ic為測(cè)量斷面的慣性矩,Ic=bh3/12,b和h為抗滑樁橫坡向和縱坡向的長(zhǎng)度,Z1樁與Z3樁b=3.5 m且h=2.5 m,Z2樁b=3.0 m且h=2.0 m。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.2.1 邊坡深部位移

順層巖質(zhì)邊坡深部位移的監(jiān)測(cè)可獲取一定邊坡內(nèi)部一定預(yù)埋深度位置所產(chǎn)生的坡向位移數(shù)據(jù),是判斷邊坡是否穩(wěn)定的重要依據(jù)。邊坡深部位移監(jiān)測(cè)周期為2021年7月23日至2023年11月25日,此時(shí)對(duì)應(yīng)的深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10(以CXD1～CXD2為例)所示。

圖10 邊坡深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖10可知,邊坡深部位移變化幅度集中于5 mm范圍。這表明,樁錨組合結(jié)構(gòu)支護(hù)作用下,順層巖質(zhì)邊坡由開(kāi)挖產(chǎn)生的變形較小,支護(hù)后邊坡整體穩(wěn)定性較好。其中,邊坡淺表位移(深度為0 m)波動(dòng)較大。這是因?yàn)?邊坡淺表土層以黏土為主,在強(qiáng)降雨等因素影響下黏土易擾動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致較大的位移產(chǎn)生。

需要說(shuō)明的是,在局部深度位置出現(xiàn)了位移突變情況(如CXD 1深度13 m處),推測(cè)原因?yàn)榭變?nèi)壁泥沙淤積導(dǎo)致測(cè)斜管內(nèi)局部的不平滑,進(jìn)而引起測(cè)斜管沿導(dǎo)軌滑動(dòng)時(shí)出現(xiàn)測(cè)量誤差,該現(xiàn)象的存在對(duì)邊坡整體變形的判斷較無(wú)影響。若邊坡失穩(wěn),深部位移曲線沿深度應(yīng)呈線性分布。

3.2.2 抗滑樁樁身彎矩

基于抗滑樁的樁身鋼筋計(jì)應(yīng)力測(cè)量,繪制樁身彎矩分布,如圖11(以Z1、Z3樁為例)所示。

圖11 抗滑樁樁身彎矩變化規(guī)律

抗滑樁樁身彎矩最大值位于距樁頂11～15 m區(qū)段,Z1、Z2、Z3與Z4抗滑樁的最大樁身彎矩依次為6 167.93、4 465.51、6 223.16、1 039.06 kN·m。Z1、Z3抗滑樁相較于Z2、Z4抗滑樁具有更大的樁身彎矩,這是因?yàn)閆1、Z3抗滑樁在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)進(jìn)行邊坡開(kāi)挖,而Z2、Z4抗滑樁在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)尚未開(kāi)挖。

對(duì)于Z1與Z3抗滑樁而言,2022年7月18日兩樁的樁身彎矩大幅變化,且樁身彎矩分布隨距樁頂距離的增大呈“S”形。這是因?yàn)?監(jiān)測(cè)周期內(nèi)框架錨索張拉施工導(dǎo)致抗滑樁的上部坡體推力減小。Z1抗滑樁的樁身彎矩在2023年2月18日與2023年3月24日降低,相比2022年7月18日依次降低45.90%與23.14%,隨后Z1抗滑樁的樁身彎矩均呈增大趨勢(shì),直至2023年9月25日達(dá)到最大值6 167.93 kNm,而在2023年11月25日其樁身彎矩再次降低,相比同年9月25日降低22.92%。Z3抗滑樁的樁身彎矩一直呈增大趨勢(shì),直至2023年9月25日達(dá)到最大值6 223.16 kNm,與Z1抗滑樁相同的是,在2023年11月25日其樁身彎矩同樣發(fā)生降低,降低幅度相比同年9月25日降低24.91%。

3.2.3 錨索應(yīng)力

順層巖質(zhì)邊坡錨索應(yīng)力變化規(guī)律如圖12所示。由圖12(a)可知,預(yù)應(yīng)力錨索安裝后其應(yīng)力在短時(shí)間內(nèi)(0～53 d)出現(xiàn)不同程度的降低,在ZK9+466斷面內(nèi),MS466-1測(cè)點(diǎn)在0～53 d內(nèi)的應(yīng)力降低幅度為7.76%;MS466-2在6～53 d內(nèi)的應(yīng)力降低幅度達(dá)到34.67%;MS466-3自6～53 d降低21.55%。在53～264 d時(shí)間段內(nèi),MS466-1測(cè)點(diǎn)的錨索應(yīng)力增大5.00 kN;然而,MS466-2的錨索應(yīng)力始終表現(xiàn)為降低。

圖12 兩個(gè)斷面錨索應(yīng)力變化規(guī)律

由圖12(b)可知,在ZK9+486斷面的MS466-1測(cè)點(diǎn)在0～53 d內(nèi)的應(yīng)力降低幅度為19.12%;MS486-2在6～53 d內(nèi)的應(yīng)力降低幅度達(dá)27.75%;MS486-3在6～53 d內(nèi)降低20.26%。由此可見(jiàn),預(yù)應(yīng)力錨索的初始鎖定力越大,則其應(yīng)力衰減值往往越大。

在53～264 d時(shí)間段內(nèi),MS486-1測(cè)點(diǎn)增大16.30 kN;然而,MS486-2測(cè)點(diǎn)的錨索應(yīng)力始終表現(xiàn)為降低。

這是因?yàn)?MS466-1和MS486-1均位于靠近坡面位置,在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中坡面多為黏土且相較于下部坡體支護(hù)效果減弱,坡面產(chǎn)生較大變形,支護(hù)狀態(tài)下的有限元計(jì)算結(jié)果也表明開(kāi)挖坡腳位置最大位移出現(xiàn)在坡面位置,因此錨索應(yīng)力增大。而MS466-2和MS486-2測(cè)點(diǎn)的錨索應(yīng)力降低,則是錨索張拉后的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)順層巖質(zhì)邊坡在開(kāi)挖擾動(dòng)下呈漸進(jìn)性失穩(wěn)破壞特征,滑面位移在坡腳位置有最大值,沿滑面向后緣呈指數(shù)型平滑遞減;應(yīng)力沿滑面向后緣先增大后降低,而滑面損傷變量從應(yīng)力峰值點(diǎn)開(kāi)始同頻衰減。

(2)樁錨組合結(jié)構(gòu)加固下,順層巖質(zhì)邊坡的滑面位移降低88.62%,滑面損傷變量降低84.75%,滑面損傷段長(zhǎng)度降低76.22%,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高25.20%。

(3)樁錨組合結(jié)構(gòu)對(duì)于順層邊坡的加固具有較好的適用性。施工全生命周期監(jiān)測(cè)表明:樁錨組合結(jié)構(gòu)加固下順層邊坡無(wú)明顯坡體位移;抗滑樁的樁身受力受框架錨索等邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)施作的影響,結(jié)構(gòu)協(xié)同受力機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究;錨索錨固力在經(jīng)歷應(yīng)力松弛后趨于穩(wěn)定,僅坡面位置因淺表覆蓋層發(fā)生輕微波動(dòng)。