錨桿加固路堤擋墻邊坡穩(wěn)定性分析

文章以廣西某路堤邊坡工程為例，采用錨桿擋墻加固擋墻為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)對(duì)比浸水前后土層抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減系數(shù)，并采用Geo-Studio極限平衡法分析法，對(duì)不同強(qiáng)度折減工況下的邊坡進(jìn)行安全系數(shù)預(yù)測(cè)模擬分析，驗(yàn)證了錨桿加固邊坡的安全有效性。結(jié)果表明：通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到的邊坡降雨工況下強(qiáng)度折減系數(shù)范圍在0.6～0.8，錨桿加固能有效提高邊坡安全系數(shù)，模擬降雨工況強(qiáng)度指標(biāo)折減系數(shù)＜0.6時(shí)，路堤邊坡安全系數(shù)較小，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)及時(shí)做好排水和坡面加固防護(hù)措施。研究結(jié)果可為邊坡設(shè)計(jì)和加固提供參考。

路堤邊坡；極限平衡法；強(qiáng)度折減；穩(wěn)定性分析

U416.1+4A220693

作者簡(jiǎn)介：

黃培令（1992—），工程師，主要從事道路方向設(shè)計(jì)與研究工作。

0" 引言

路堤邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題會(huì)影響工程施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程的安全性，因此邊坡穩(wěn)定性一直是道路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。邊坡穩(wěn)定性分析是根據(jù)周圍地質(zhì)和水文環(huán)境與荷載工況相結(jié)合的計(jì)算分析方法，常用的分析方法有：極限平衡法、強(qiáng)度折減法、可靠度分析方法和灰色理論分析法等。高興杰［1］針對(duì)抗滑樁和毛石擋墻聯(lián)合支護(hù)，利用考慮樁土相互作用的強(qiáng)度折減法研究了邊坡支護(hù)的合理選型。賀劍輝［2］以高填深挖人工邊坡為例，依據(jù)邊坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)原則加固設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)建立數(shù)值模型確定邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。農(nóng)明科［3］采用Midas GTS軟件建立三維模型，分析強(qiáng)降雨前后路基邊坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)高邊坡安全系數(shù)與錨桿長(zhǎng)度存在關(guān)系且存在某一臨界值。梁策等［4］在考慮樁土相互作用的基礎(chǔ)上，通過(guò)PFC離散元研究抗滑樁支護(hù)的原邊坡變形破壞特點(diǎn)。張政等［5］將極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法原理相結(jié)合，從邊坡穩(wěn)定性角度出發(fā)，應(yīng)用理正及有限元軟件分別對(duì)開(kāi)挖邊坡整體抗滑穩(wěn)定性和局部面層塑性破壞進(jìn)行計(jì)算分析。本文針對(duì)廣西某路堤擋墻邊坡的穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題，采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法結(jié)合的形式進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，為實(shí)際工程施工和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，給出降雨工況下邊坡強(qiáng)度折減的參考范圍。

1" 工程概況及地質(zhì)條件

本文以廣西某植物園區(qū)路堤邊坡為參考對(duì)象，場(chǎng)區(qū)規(guī)劃路線在山前坡腳及凹地，處于浙南侵蝕剝蝕丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)高程為190.0 m，場(chǎng)區(qū)線路內(nèi)高程為68.0～190.0 m，兩者高差約為120 m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)線路山體和陡坎自然坡度為10°～90°，陡坎高度一般在1～5 m。

人工邊坡坡度為30°～90°；人工邊坡高度一般在1～5 m。根據(jù)鉆探揭露場(chǎng)地地層成因類型，自上而下劃分六大層：-0素填土（Q4ml），-1耕土（Q4pd），淤泥（Q4hl），含黏性土卵石（Q4al+pl），含碎石砂質(zhì)粉土（Qel-dl），a1全風(fēng)化凝灰?guī)r（K1cl）、a2強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r（K1cl）、-a3中風(fēng)化凝灰?guī)r（K1cl）、b1全風(fēng)化砂巖（K1c2）、b2強(qiáng)風(fēng)化砂巖（K1c2）、b3中風(fēng)化砂巖（K1c2）。場(chǎng)區(qū)勘探深度以內(nèi)測(cè)得局部地下水1.30～1.48 m，場(chǎng)區(qū)勘探深度以內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水和紅層孔隙裂隙水。淺部松散孔隙水主要分布素填土、含碎石砂質(zhì)粉土，其滲透系數(shù)一般為6×10-5～6×10-4 cm/s；含黏性土卵石滲透系數(shù)一般為30～60 m/d。

2" 路堤擋墻邊坡失穩(wěn)病害機(jī)理分析

2.1" 降雨因素影響

由于評(píng)估區(qū)域?qū)偕焦鹊匦?，匯水面積較大，擋墻邊坡發(fā)生失穩(wěn)的誘發(fā)因素很多，其中，突發(fā)降雨可能是主要因素。根據(jù)區(qū)域調(diào)查查明的工程地質(zhì)環(huán)境條件及降雨歷史統(tǒng)計(jì)資料，分析區(qū)多年平均降雨量為1 578.7 mm，降水集中在3～6月及8～9月，年降雨較為豐沛。

由于高強(qiáng)度降雨可能路堤邊坡排水不暢，使邊坡土層抗剪強(qiáng)度顯著降低。為驗(yàn)證由于降雨工況及排水問(wèn)題導(dǎo)致的路堤邊坡失穩(wěn)問(wèn)題，從現(xiàn)場(chǎng)挖取部分表層土樣進(jìn)行室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，確定土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力等抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通過(guò)折減系數(shù)法降低強(qiáng)度參數(shù)，模擬預(yù)測(cè)降雨工況下，路堤邊坡的穩(wěn)定情況。

2.2" 室內(nèi)試驗(yàn)及抗剪強(qiáng)度參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)，得到飽和土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線和莫爾圓，如下頁(yè)圖1和圖2所示。測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)淺表土有效強(qiáng)度指標(biāo)為內(nèi)摩擦角33.2°、粘聚力28.4 kPa。此外，采用土樣飽和情況下的總應(yīng)力法，近似模擬現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)降雨時(shí)土體強(qiáng)度，可得到現(xiàn)場(chǎng)土體的強(qiáng)度指標(biāo)為內(nèi)摩擦角29.1°、粘聚力6.9 kPa，相比土樣的有效強(qiáng)度，指標(biāo)折減系數(shù)為0.757。

參考其他學(xué)者對(duì)路堤邊坡定量分析方法，畢仲輝等［6］考慮土樣抗剪參數(shù)變異系數(shù)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)折減，折減范圍為0.55～0.75；童欣等［7］通過(guò)強(qiáng)度指標(biāo)折減對(duì)比發(fā)現(xiàn)在折減系數(shù)為0.5～0.75時(shí)降雨對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響較大；黃明奎等［8］研究極端降雨對(duì)邊坡土體強(qiáng)度參數(shù)的影響邊坡土體由于降雨滲流導(dǎo)致基質(zhì)吸力的變化，對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)的折減平均為0.68倍。綜上所述，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)該路段邊坡降雨工況下的強(qiáng)度折減系數(shù)選取范圍為0.5～0.8。

2.3" 抗剪強(qiáng)度參數(shù)折減穩(wěn)定性

模擬對(duì)比擋土墻和回填土不同強(qiáng)度參數(shù)對(duì)墻身穩(wěn)

定的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3和表1。當(dāng)材料內(nèi)摩擦角φ＜30°、粘聚力c＜100 kPa時(shí)，擋土墻發(fā)生失穩(wěn)破壞且滑移面貫穿擋土墻。

3" 錨桿加固后邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)分析

3.1" 錨桿加固邊坡模型的建立

推測(cè)降雨可能是造成路堤邊坡失穩(wěn)和坍塌的主要原因，通過(guò)Geo-studio軟件采用極限平衡法對(duì)其邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比。根據(jù)該路堤邊坡加固前設(shè)計(jì)，邊坡采用衡重式擋土墻進(jìn)行邊坡支護(hù)，采用錨桿加固后邊坡?lián)鯄θ鐖D4所示，根據(jù)相應(yīng)比例在Geo-Studio軟件中建立二維邊坡模型如圖5所示。模型尺寸X軸為地面水平距離長(zhǎng)度為60 m，Y軸為高程長(zhǎng)度為50 m，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。

3.2" 巖土與錨桿參數(shù)的確定

根據(jù)地質(zhì)土層埋深可將剖面土層分簡(jiǎn)化為3種，土體材料參數(shù)見(jiàn)表2。參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）（以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》）現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料，綜合考慮土體邊坡穩(wěn)定性的重要性和其他破壞可能造成的危害，現(xiàn)場(chǎng)路堤邊坡的安全等級(jí)為二級(jí)邊坡，結(jié)合該場(chǎng)地所處的地質(zhì)水文條件，綜合確定其穩(wěn)定性自然工況下系數(shù)K≥1.30，地震工況下K≥1.10，邊坡穩(wěn)定安全設(shè)計(jì)值見(jiàn)表3。該區(qū)域?qū)儆谡隳系貛?，其地震震?jí)一般＜4級(jí)，最高地震烈度為5～6度，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》，在抗震烈度6級(jí)以上的地區(qū)，應(yīng)對(duì)邊坡工程應(yīng)進(jìn)行地震作用計(jì)算。

根據(jù)《技術(shù)規(guī)范》，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算錨桿軸向力錨桿（索）軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式（1）計(jì)算：

Nak=Htkcosα（1）

式中：Nak——相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)錨桿所受軸向拉力（kN）；

Htk——錨桿水平拉力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

α——錨桿傾角（°）。

錨桿錨與巖土層間的長(zhǎng)度應(yīng)滿足式（2）的要求：

la≥KNakπ·D·frbk（2）

式中：K——錨桿錨固體抗拔安全系數(shù)，按表4取值；

La——錨桿錨固段長(zhǎng)度（m）；

frbk——巖土層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定；

D——錨桿錨固段鉆孔直徑（mm）。

根據(jù)該路堤邊坡設(shè)計(jì)值中錨桿單軸抗壓強(qiáng)度，取frbk=1 200 kPa，錨桿傾斜角為25°，孔徑110 mm，錨桿直徑28 mm，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010），HRB400鋼筋對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360 N/mm2。結(jié)合式（1）和式（2）可得抗拉設(shè)計(jì)值為200 kN。

3.3" 穩(wěn)定安全系數(shù)分析

經(jīng)過(guò)Geo-Studio軟件的計(jì)算，得到錨桿加固后擋墻邊坡模型在自然工況以及降雨工況時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)截面的安全系數(shù)，如圖6所示。并對(duì)邊坡安全系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總（見(jiàn)后頁(yè)表5），表中記錄了Bishop、Janbu、Morgenstern-Price三種計(jì)算方法對(duì)土體邊坡的穩(wěn)定性分析，三種方法之間相互檢驗(yàn)校正，綜合分析路堤邊坡的穩(wěn)定性，可以發(fā)現(xiàn)，Janbu法所得的安全系數(shù)最小，偏安全考慮，Morgenstern-Price法計(jì)算所得安全系數(shù)最大。

經(jīng)加固后的擋墻邊坡在自然以及降雨工況下基本滿足穩(wěn)定性要求，當(dāng)模擬降雨工況折減系數(shù)=0.6時(shí)（即10-a1全風(fēng)化凝灰?guī)r的粘聚力c=9 kPa、φ=12時(shí)），土體邊坡安全系數(shù)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。通過(guò)加固前后不同強(qiáng)度指標(biāo)折減的對(duì)比，得到折減系數(shù)與穩(wěn)定安全系數(shù)關(guān)系如后頁(yè)圖7所示。

4" 結(jié)語(yǔ)

本文主要以廣西某路堤邊坡為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析現(xiàn)場(chǎng)土體飽和后抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化，并確定強(qiáng)度折減范圍；采用極限平衡法，通過(guò)Geo-Studio軟件對(duì)路堤擋墻邊坡采用錨桿加固前后的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)強(qiáng)度折減參數(shù)影響進(jìn)行驗(yàn)算，得到以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)淺表土有效強(qiáng)度指標(biāo)為內(nèi)摩擦角33.2°、粘聚力28.4 kPa，通過(guò)飽和土樣模擬的現(xiàn)場(chǎng)降雨工況，得到土體的強(qiáng)度指標(biāo)為內(nèi)摩擦角29.1°、粘聚力6.9 kPa，土樣的有效強(qiáng)度指標(biāo)折減系數(shù)約為0.757。

（2）通過(guò)Janbu、Bishop、Morgenstern-Price三種計(jì)算方法對(duì)土體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，所得安全系數(shù)依次增大，Janbu法計(jì)算結(jié)果偏安全考慮，天然重力式擋墻邊坡的安全系數(shù)為0.922，有滑移危險(xiǎn)，錨桿加固后路堤擋墻的整體穩(wěn)定性和抑制變形能力都有了顯著提高，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.677。

（3）在降雨等不利工況下，在土層強(qiáng)度指標(biāo)折減0.75（＜0.757），加固后的穩(wěn)定安全系數(shù)可達(dá)1.250，當(dāng)模擬降雨工況強(qiáng)度指標(biāo)折減系數(shù)＜0.6時(shí)，土體邊坡安全系數(shù)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)及時(shí)做好排水和坡面加固防護(hù)措施。

［1］高興杰.公路邊坡穩(wěn)定及抗滑樁加固分析［J］.西部交通科技，2021（11）：48-51.

［2］賀劍輝.某高填深挖場(chǎng)地邊坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)研究［J］.西部交通科技，2022（11）：103-105.

［3］農(nóng)明科.路基高邊坡穩(wěn)定性分析及防護(hù)措施研究［J］.西部交通科技，2021（10）：8-11，33.

［4］梁" 策，鄧祥明.高陡邊坡抗滑樁-土相互作用離散元模擬及加固分析［J］.西部交通科技，2022，178（5）：79-81.

［5］張" 政，賴揚(yáng)威，歐陽(yáng)禮捷，等.基于極限平衡理論與有限元強(qiáng)度折減法的某涉水高邊坡穩(wěn)定性分析［J］.廣東水利水電，2023，324（2）：68-74，104.

［6］畢仲輝，翟亞飛，唐彧杰，等.基于有限元強(qiáng)度折減法的降雨入滲基巖型邊坡可靠度分析［J］.水利水電技術(shù)，2020，51（9）：187-192.

［7］童" 欣，方" 燃，李" 虹，等.降雨對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響及排水措施建議［J］.巖土工程技術(shù)，2021，35（1）：52-55，59.

［8］黃明奎，馬" 璐.極端降雨對(duì)邊坡土體強(qiáng)度的影響及其穩(wěn)定性分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2021，36（3）：6-9.

20240428