柱板式錨桿加固邊坡有限元模擬與效果分析

董開亮

本文根據勘察報告中所提供的巖土體力學參數與坡體地質情況,運用ANSYS有限元軟件模擬分析了湖南某高速公路柱板式錨桿結構加固邊坡的位移與應力變化情況,并且試驗觀測驗證了柱板式錨桿結構加固邊坡的良好效果。

1 工程概況及水文地質條件

根據勘察報告,該處滑體剖面自上而下的巖層為:①黏土沖積層,紫紅色、松散、孔隙率大、易滲水,含25%左右的基巖風化殘余礫塊,粒徑2 mm～5 mm,厚度約 2 m;②強風化砂巖層,以紫紅色亞黏土為主以及與泥質粉砂巖風化碎塊組成,中夾50%左右粒徑0.5 cm～4 cm的碎塊,厚度3 m～10 m。第1號、2號滑體主要是沿該滑動帶底板滑動;③中風化砂巖層,以紫紅色的粉砂巖為主,薄層狀,水平層理,裂隙發育,呈張剪性,巖石被切割成 3 cm～15 cm的碎塊,構造裂隙一般被石膏充填,可沿該裂隙面形成滑動面,厚度4 m～8 m;④微風化砂巖層,紫紅色泥質粉砂巖,中厚層狀,巖石堅硬,屬于滑床部分。

2 有限元法對滑體處治效果的模擬分析

2.1 建立模型

在有限元建模過程中我們做了以下假設:1)為了減除因模型外形奇異引起的計算不收斂,對模型進行一些局部的簡化。如對風化程度不同的地層界面的考慮,是采用直線還是折線來代替。2)假設在所分析計算的地層區域內,不存在斷層等不連續的因素,每層巖體內部在水平方向上同質均勻。

根據具體的地形、地質鉆孔資料,建立了二維模型來進行分析。取分析模型的長、高分別為72.5 m,35 m。建好后的模型如圖1所示。

2.2 單元網格劃分與邊界條件設置

在模型中,采用Plane42來模擬各地層,Beam3模擬坡表的柱板混凝土結構,Link1模擬錨桿結構。網格劃分時選取了“四邊形選項”設置,使網分好的模型外部表征為四節點單元,模型網格劃分好后,單元總個數為1 567(處治前)。對于邊界條件的設置,模型底部采用的是全約束(X,Y),左側邊界進行了水平方向(X)的約束。網格劃分后的模型如圖2所示。

2.3 定義材料屬性及參數調節

在經過對坡體處治前模型反復計算與參數調整后,最終所采用的巖土體力學參數如表1所示,這些數據為進一步模擬分析與評價整治效果提供了基礎。

表1 實際計算所采用的各層物理力學參數

2.4 模型求解及結果分析

文中分析選用全牛法以及DP屈服準則與位移收斂準則。在模型求解結束后,對位移、應力的分布進行了查看,繪制出了模型的各種等值線圖,從邊坡加固前后的等值線變化來看:最大水平位移從加固前的165 cm變為加固后的27 mm,且分布區域有所減小并從上部向下部轉移,表明加固措施取得了一定的效果;從剪應力的分布來看,由于錨桿的作用,強風化與中風化砂巖層的剪應力集中情況有一定的減弱,并向深部的微風化砂巖層轉移。各錨桿所受軸力分布如圖3所示。

從以上的分析來看,采用柱板式錨桿結構加固邊坡后,坡體的位移及應力分布得到了明顯的有利于穩定的改善。在實體工程處治中,我們采取此種柱板式錨桿結構來治理該處邊坡,并進行了柱板式錨桿結構的詳細設計。

3 應用效果觀測與分析

3.1 測量器件布設

由鉆探的地質資料及現場施工的鉆進情況,滑面位置約處于坡面下12 m～14 m范圍內,為了解其內力分布,均勻布置鋼筋計。錨桿由布設的鋼筋應力計測量,其中應變片式鋼筋應力計由YJ-18靜態電阻應變儀測量。測量時應變片式鋼筋應力計并聯于所測量的錨桿上與其共同變形。其所測量的應變即錨桿的應變值。鋼弦式鋼筋應力計串聯于錨桿上,測量較為簡單,可由PZX-1型振弦式頻率檢測儀直接讀出其對應內力的頻率,通過其標定的曲線即可定出。因其讀數簡單,準確,且元件穩定性好,受環境影響小,其作為測量校正用。

3.2 測量結果及分析

本測量從2008年7月7日起,各鋼筋計測量結果如表2,表3所示。

表2 M27錨桿鋼筋計測量結果表

表3 M7號鋼筋計測量結果表

從記錄數據來看,被動式砂漿錨桿內拉力,其受力最大處為距孔口7 m～8 m處,可能是滑面位置。在灌漿后7 d錨桿拉力達到一個峰值,然后在后幾個月內保持基本穩定。

將2號孔的編號為99023,99003,99025的應變片式鋼筋應力計的三次實測的拉伸力(t)(三次實測時間為2008年7月15日,2008年9月5日以及2009年9月24日)作成如圖4,圖5所示的曲線,可以看出:在一根被動式砂漿錨桿上,錨桿受力是不均勻的,靠近孔口段受力大,隨孔深加大而漸漸減小,但它們隨時間的變化值則大致相等,這與理論分析的預期結果相一致。

將觀測值與有限元分析計算結果進行對比可見,結果是比較吻合的,只是錨桿受力大小的部位有所差別,可能是與計算時滑移面的處理不能完全真實有關。從觀測與計算結果來看,該邊坡的設計與處理是成功的。

4 結語

利用ANSYS有限元軟件強大的巖土分析功能,對典型斷面采取柱板式錨桿結構處治后的效果進行了模擬評價,為指導設計提供了一定的技術支撐。通過后期對實體工程錨桿的跟蹤監測,其觀測值與分析計算結果比較吻合,在一定程度上反映出邊坡設計與處理是比較合理的、成功的。上述成果直接指導了該高速公路高陡路塹邊坡處治施工整治,取得了良好的社會與經濟效益。

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