錨桿布設(shè)方式對高速公路路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

許宇明,胡慶國

(1.湖南省武靖高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南武岡 422400; 2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南長沙 410004)

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錨桿布設(shè)方式對高速公路路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

許宇明1,胡慶國2

(1.湖南省武靖高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南武岡 422400; 2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南長沙 410004)

摘要:為分析錨桿長度、傾角對錨桿支護(hù)邊坡穩(wěn)定性的影響,以武靖(武岡—靖州)高速公路某路塹邊坡為例,采用極限平衡法對錨桿支護(hù)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。研究結(jié)果表明,錨桿支護(hù)邊坡存在最佳錨桿長度,錨桿長度達(dá)到最佳長度之前邊坡穩(wěn)定性隨錨桿長度增加顯著增長,超過最佳長度后邊坡穩(wěn)定性不再大幅提高;邊坡錨固支護(hù)存在最佳錨固傾角,錨桿傾角達(dá)到最佳傾角之前邊坡穩(wěn)定性隨著錨固傾角的減小而增強(qiáng),達(dá)到最佳傾角之后邊坡穩(wěn)定性開始下降。

關(guān)鍵詞:公路;錨桿;路塹邊坡;穩(wěn)定性

隨著公路建設(shè)的進(jìn)行,大量邊坡問題逐漸顯現(xiàn)。目前公路工程邊坡通常采用護(hù)坡樁+錨桿的支護(hù)體系。錨桿支護(hù)是將錨桿置于地層中,通過灌漿、施加預(yù)應(yīng)力等技術(shù)處理,使它能承受拉力的工程手段,是綜合性、多樣性和邊緣性較強(qiáng)的工程技術(shù),涉及地質(zhì)勘查、巖土力學(xué)及鋼筋砼結(jié)構(gòu)等多個(gè)領(lǐng)域。林杭等研究了邊坡錨固及錨桿荷載傳遞機(jī)理,得出了錨固長度的變化與邊坡安全系數(shù)、邊坡潛在危險(xiǎn)滑動面及錨桿軸力分布的關(guān)系。黃晨等研究了錨桿支護(hù)參數(shù)如錨桿長度、傾角、間距等對邊坡穩(wěn)定性的影響,通過極限平衡方法建立邊坡模型,模擬邊坡全注漿錨桿的加固效應(yīng),得到邊坡安全系數(shù)與錨桿長度、傾角及間距之間的關(guān)系。朱欣榮等通過數(shù)值模擬計(jì)算,利用回歸方程分析得到了邊坡安全系數(shù)與錨桿傾角、間距、布置位置的定量關(guān)系。何立志通過研究錨桿施加的預(yù)應(yīng)力在潛在危險(xiǎn)面上產(chǎn)生的預(yù)加應(yīng)力,推演出對應(yīng)的附加應(yīng)力與邊坡安全系數(shù)的計(jì)算公式,為使用預(yù)應(yīng)力錨桿邊坡的穩(wěn)定性分析提供了便利。王發(fā)玲等通過研究順層巖質(zhì)邊坡的錨桿錨固機(jī)理,得到錨桿在撓曲變形段內(nèi)應(yīng)力和變形沿節(jié)理呈反對稱分布;在模擬滑動面上,當(dāng)錨桿處于彈性小變形階段時(shí),錨桿的錨固作用是由錨桿軸力及抗剪力共同作用的,并且兩者之間存在線性關(guān)系。

為進(jìn)一步確定邊坡錨桿長度與錨桿角度對邊坡穩(wěn)定性的影響,該文對湖南省武靖(武岡—靖州)高速公路第八合同段CBK0+360—CBK11+835段右側(cè)高邊坡進(jìn)行二維錨桿支護(hù)分析,為錨桿支護(hù)機(jī)理的深入研究及同類型邊坡的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 邊坡工程概況

二維分析選取CBK7+520右側(cè)高邊坡路基橫斷面。從地形、地貌角度分析,該路塹邊坡段屬于低山丘陵地貌,地形起伏變化較大,山體自然坡度較陡,為40°～50°;邊坡表面植被較發(fā)育,局部有基巖裸露,邊坡上方地表有一定的匯水面。從巖土層狀態(tài)來講,該路塹邊坡地層主要為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r及中風(fēng)化泥灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀為300°∠60°,地下水并不發(fā)育。根據(jù)勘測數(shù)據(jù),該邊坡主要組成為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化泥巖,巖層傾向與邊坡反向,有利于中風(fēng)化泥灰?guī)r層的穩(wěn)定。為降低邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),在三、四級邊坡設(shè)置錨桿方形格梁進(jìn)行淺層加固,在一、二及五級邊坡設(shè)置拱形骨架植草支護(hù)。

2 錨桿加固機(jī)理

采用錨桿對邊坡進(jìn)行加固,當(dāng)其穿過潛在滑動面深入深部土體后,可有效阻止坡體位移,這是擋土墻、抗滑樁等一般支擋結(jié)構(gòu)物無法達(dá)到的力學(xué)效果。因此,錨桿可提高邊坡潛在滑移面的抗剪強(qiáng)度,為邊坡潛在滑動體提供足夠的抗滑能力。在土質(zhì)邊坡中,邊坡設(shè)置錨桿后仍可采用條分法進(jìn)行滑動體受力分析,其安全系數(shù)可采用條分法公式計(jì)算[見式(1)]。式(1)中作用力的方向及作用點(diǎn)見圖1。式中:f為滑動面上的摩擦系數(shù);Ni為作用在第i條滑動面上的法向力;PN為錨桿錨固力沿滑動面法向的分力;ci為第i條滑動面上的粘聚力;Li為第i條滑動面的長度;Ti為作用在第i條滑動面上的切向力;PT為錨桿錨固力沿滑動面切向的分力。

圖1 錨固邊坡的受力分析

3 數(shù)值建模

采用Geostudio巖土工程有限元計(jì)算軟件對該邊坡進(jìn)行數(shù)值建模分析。模型尺寸與網(wǎng)格劃分見圖2。邊坡總高50 m,根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置5級邊坡,每級邊坡高均為10 m。由于一、二、三級邊坡所處位置主要為中風(fēng)化泥巖,穩(wěn)定性較好,坡度設(shè)計(jì)為1∶0.75;四、五級邊坡處多為強(qiáng)風(fēng)化泥巖,穩(wěn)定性較差,坡度設(shè)計(jì)為1∶1。同時(shí)考慮有限元軟件的計(jì)算效率與計(jì)算精度,網(wǎng)格不能過細(xì)或過粗,將模型劃分為2 147個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 088個(gè)單元,每個(gè)單元邊長1 m。模型右側(cè)與底部設(shè)置為四邊形單元,在邊坡坡面傾斜處存在部分三角形單元。初始邊界條件設(shè)置為底部固定X、Y方向邊界,右側(cè)設(shè)定為固定X方向邊界。邊坡土質(zhì)參數(shù)參照勘測所得值確定(見表1)。

圖2 邊坡有限元計(jì)算模型

4 計(jì)算與分析

4.1 未支護(hù)狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性

首先采用Slope計(jì)算模塊對未支護(hù)狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,設(shè)定擬發(fā)生滑坡方向?yàn)閺挠蚁蜃?計(jì)算過程中自動搜尋可能出現(xiàn)的邊坡滑動面,共搜尋2 000次,取安全系數(shù)最小的滑動面作為潛在滑動面,搜尋完成后對潛在滑動面進(jìn)行優(yōu)化,得到邊坡的安全系數(shù)。邊坡潛在滑動面見圖3。

表1 邊坡的土質(zhì)參數(shù)

該邊坡開挖后未支護(hù)狀態(tài)下的穩(wěn)定性為1.12,處于較不穩(wěn)定狀態(tài),這是由于其坡度較陡,且沒有支護(hù)措施,邊坡上部主要為碎石土,邊坡整體以中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為主,土體在重力作用下極易發(fā)生滑移。

4.2 錨桿支護(hù)狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,該邊坡潛在滑動面主要處于邊坡中部,應(yīng)對三、四級邊坡采取錨桿支護(hù)手段。錨桿的長度、間距及角度等均會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,根據(jù)設(shè)計(jì)資料,確定錨桿布置間距,并調(diào)整不同布置長度與角度,分析邊坡穩(wěn)定性變化趨勢。每級邊坡布設(shè)4根錨桿,間距均為2 m,最上部錨桿距離上部邊坡平臺2 m,最下部錨桿距離下部邊坡平臺2 m,共布置8跟錨桿。錨桿參數(shù)見表2,邊坡錨桿布置見圖4。

表2 錨桿參數(shù)

圖4 不同錨桿長度支護(hù)邊坡

從邊坡的受力狀態(tài)分析,錨桿的加固機(jī)理是為其所穿過的土條底部提供抗剪強(qiáng)度,提高所加固土條抵抗上部土體下滑的能力。因此,錨桿須打入支護(hù)邊坡潛在滑動面的內(nèi)部,貫穿滑動體,才能起到相應(yīng)支護(hù)效果。下面采用Slope模塊對錨桿與邊坡潛在滑動面位置的關(guān)系及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

4.2.1 錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖4顯示了不同長度錨桿對邊坡穩(wěn)定性的加固效果。從圖4(a)～(c)可看出:采用6 m錨桿對邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí)邊坡滑動面向內(nèi)移動,邊坡穩(wěn)定性增大到1.21,邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)錨桿長度達(dá)到9 m時(shí),邊坡穩(wěn)定性提高至1.31,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)錨桿長度采用12 m時(shí),邊坡穩(wěn)定性達(dá)到1.38。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般應(yīng)將邊坡安全系數(shù)提高至1.4左右,以保證邊坡的穩(wěn)定和在強(qiáng)降雨等極端天氣下不發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,可使用12 m錨桿進(jìn)行邊坡支護(hù)。

為分析邊坡錨桿最佳支護(hù)長度,計(jì)算15 m長錨桿支護(hù)下的邊坡穩(wěn)定性。從圖4(d)來看,采用15 m長錨桿支護(hù)后,邊坡安全系數(shù)為1.40。邊坡安全系數(shù)隨錨桿長度的變化趨勢見圖5。

圖5 邊坡安全系數(shù)隨錨桿長度的變化趨勢

從圖5可看出:邊坡錨桿支護(hù)中存在一個(gè)最佳錨固長度,在最佳錨固長度之前,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著錨桿長度的增加呈線性增加,達(dá)到最佳錨固長度后,即使錨桿長度繼續(xù)增加,邊坡穩(wěn)定性也僅有極少量的提高。因此,在邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中確定其最佳錨固長度十分必要。

4.2.2 錨桿傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

采用不同角度的12 m錨桿支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性變化趨勢見圖6。

圖6 邊坡安全系數(shù)隨錨固傾角的變化趨勢

從圖6可看出:邊坡穩(wěn)定性隨著錨桿傾角的減小而逐漸增加,傾角減小至5°時(shí),邊坡穩(wěn)定性達(dá)到最佳。錨桿角度從30°逐漸減小至5°時(shí),邊坡穩(wěn)定性基本上呈線性增加,其擬合曲線可用式(2)表示,擬合相關(guān)度R2=0.996 9,擬合效果十分理想。

式中:y為邊坡安全系數(shù);x為錨桿傾角。

根據(jù)以上分析,在邊坡錨固設(shè)計(jì)中需找到適合加固邊坡的最佳錨固傾角,以達(dá)到最佳錨固效果。

5 結(jié)論

該文通過對武靖高速公路某路塹邊坡錨桿支護(hù)方式的分析,主要得到以下結(jié)論:

(1)在錨桿支護(hù)中存在最佳錨固長度,錨桿長度達(dá)到最佳錨固長度后,即使繼續(xù)增加錨桿長度,邊坡穩(wěn)定性也只會小幅提高。

(2)在錨桿支護(hù)中存在最佳錨固傾角,錨桿布置達(dá)到最佳錨固傾角之前,邊坡穩(wěn)定性隨著錨固傾角的減小而增強(qiáng);達(dá)到最佳錨固傾角之后,邊坡穩(wěn)定性隨著錨固傾角的減小而減小。

參考文獻(xiàn):

[1]朱欣榮,呂力行.預(yù)應(yīng)力錨桿布置參數(shù)與邊坡安全系數(shù)相關(guān)解算[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2015(2).

[2]楊榮祺.公路路基高邊坡防護(hù)與措施探討[J].江西建材,2015(9).

[3]何立志.附加應(yīng)力法在錨桿支護(hù)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].江西建材,2015(21).

[4]黃建生.錨桿支護(hù)技術(shù)與工程應(yīng)用[J].西部探礦工程,2013(12).

[5]于海.公路高邊坡支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)[J].科技與企業(yè),2013(22).

[6]林杭,曹平.錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(3).

[7]黃晨.錨桿支護(hù)參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬[J].公路與汽運(yùn),2013(5).

[8]王發(fā)玲,劉才華,龔哲.順層巖質(zhì)邊坡錨桿支護(hù)機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(7).

收稿日期:2015-10-10

中圖分類號:U418.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0138-03