道路邊坡穩(wěn)定性分析及治理設(shè)計(jì)

彭亞捷

(中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院,山東 東營(yíng) 257001)

0 研究背景

邊坡是一種自然地質(zhì)體,在邊坡角變化、地下水、地震力、水位變化等外因作用下,邊坡將沿其裂隙等一些不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移,當(dāng)巖土體內(nèi)部某一面上的滑動(dòng)力超過巖土體抗滑動(dòng)的能力,將導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)。

邊坡穩(wěn)定性分析已經(jīng)形成一個(gè)應(yīng)用研究課題,涉及建筑工程、道路工程、礦山工程、水利水電工程等諸多工程領(lǐng)域。近年來受到越來越多的關(guān)注,研究方法[1]層出不窮,其中主要以剛體極限平衡分析法和數(shù)值分析方法為主,而這些方法在設(shè)計(jì)參數(shù)的選取上都是按定值進(jìn)行考慮的。然而,由于邊坡受多種因素綜合影響[2],其穩(wěn)定性常表現(xiàn)出復(fù)雜多樣性、不確定等特征。隨著數(shù)學(xué)方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件的應(yīng)用[3]等迅速發(fā)展,邊坡穩(wěn)定性分析方法不斷發(fā)展和完善。

1 工程概況

M路基邊坡巖體為全風(fēng)化片麻巖,且層理間云母含量高,巖層傾向路基,傾角現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大達(dá)35°；巖體破碎,外觀像紙張累疊,邊坡極不穩(wěn)定。邊坡相對(duì)高差近100m,坡體跨度大于300m。

該地區(qū)由下而上發(fā)育的地層主要特征分述如下：

(1)上太古代阜平群片麻巖：基巖,厚度不清,大于100m,黏聚力7.4kPa,內(nèi)摩擦角為23°。

(2)上太古代云母：片麻巖夾層,厚度約25m。

(3)第四系：按成因可分為沖、洪、坡、殘積等。依巖性有紅土卵石。黃土狀亞粘土、亞砂土、砂礫石等,厚度10～20m。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡推力計(jì)算法

根據(jù)邊坡坡面起伏情況,劃分為折線形的塊段,如圖1。每一塊段頂部坡面為平直的斜面,并確定各段的計(jì)算參數(shù)。利用滑坡推力計(jì)算法來計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)假定邊坡作整體滑動(dòng),各段之間不考慮擠壓和拉裂,可忽略塊段兩側(cè)力的作用。巖體寬度選為1m,計(jì)算模型如圖2。邊坡在自然狀態(tài)下潛滑面1的塊段狀態(tài)見表1,各塊段的剩余下滑力見表2；潛滑面2的塊段狀態(tài)見表3,各塊段的剩余下滑力見表4。

圖1 邊坡塊段劃分圖

圖2 滑坡推力法計(jì)算模型

條塊編號(hào)重度γ(kN/m3)面積A(m2)荷載(kN/m)塊段弧長(zhǎng)Li(m)滑動(dòng)傾角αi(°)黏聚力C(kPa)內(nèi)摩擦角φ(°)12342152.51102.517.1766.916104.962.91544.632436.679.0204.24288.210.7237.422

注：①面積A根據(jù)AutoCAD中的area命令進(jìn)行估算

②塊段弧長(zhǎng)Li根據(jù)AutoCAD中di命令進(jìn)行估算

③表內(nèi)所有取值精確至小數(shù)點(diǎn)后一位

表2 自然狀態(tài)潛滑面1下的剩余下滑力

表3 自然狀態(tài)潛滑面2的塊段狀態(tài)

表4 自然狀態(tài)潛滑面2下的剩余下滑力

2.2 水平投影法

為更直觀地分析穩(wěn)定性,采用水平投影法來求穩(wěn)定性系數(shù)K。根據(jù)上文計(jì)算出的下滑力和抗滑力,將所得值投影到水平面上,求取K值。在自然狀態(tài)下潛滑面1的穩(wěn)定性系數(shù)為1.01,潛滑面2的穩(wěn)定性系數(shù)為0.996。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013),K<1.0不穩(wěn)定,1.01.15穩(wěn)定。此邊坡在自然狀態(tài)下,潛滑面1處于欠穩(wěn)定狀態(tài),潛滑面2處于不穩(wěn)定狀態(tài)。故在開挖前要先進(jìn)行工程治理。

3 邊坡治理設(shè)計(jì)

3.1 邊坡剩余下滑力設(shè)計(jì)值預(yù)估

治理設(shè)計(jì)中安全系數(shù)取1.15,則潛滑面1的滑坡推力為：

R1=1.15×(430.8+4292.7+12673.8+1675.5)-(536.6+6455.0+12648.0+1674)=620.12(kN/m)

潛滑面2的滑坡推力為：

R2=1.15×(2272.9+10408.5+17839.3+8375.2)-(2453.5+10372.5+17564.5+8352.8)=5987(kN/m)

3.2 滑坡支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滑坡推力預(yù)估值大于5000kN/m,坡腳又有居民居住,故需在坡腳重點(diǎn)加固——設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁。初步估算只依靠預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁,滑坡推力過大產(chǎn)生的彎矩和剪力過大,配筋要求不合理,不滿足經(jīng)濟(jì)和安全兼?zhèn)涞男Ч９试谏喜窟吰轮性鲈O(shè)預(yù)應(yīng)力錨索,承擔(dān)部分下滑力。并在施工過程中,需注意施工順序。先設(shè)置抗滑樁,再?gòu)钠马斨鸩较髌隆⒋蝾A(yù)應(yīng)力錨索,最后再開挖,在抗滑樁預(yù)留孔徑中打入預(yù)應(yīng)力錨桿[4]。

預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合相關(guān)規(guī)范和實(shí)際情況如下：錨桿采用Ф15.2,抗拉強(qiáng)度為1860MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制作,為拉力型錨桿。錨桿抗拔力設(shè)計(jì)值為3000kN。錨固段長(zhǎng)度La=25m,自由段長(zhǎng)度Lf=25m,總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度50m；鉆孔孔徑160mm,桿體直徑120mm。

抗滑樁的設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁身斷面：2.0m×3.0m(矩形),計(jì)算寬度：3.0m,樁長(zhǎng)：20m,樁體埋深：12m,樁間距：6m,比例系數(shù)：mv=10000kN/m3,地基系數(shù)：A=1200000kN/m3,樁身混凝土強(qiáng)度：C25,滑坡推力分布：按三角形分布。

根據(jù)樁身和樁周巖土體相對(duì)剛度的不同,計(jì)算樁身內(nèi)力時(shí)將樁在滑面位置分為上下兩部分分別計(jì)算。滑面以上按照在錨索力和滑坡推力共同作用下的懸臂樁計(jì)算,計(jì)算模型如圖3,滑面以下按剛性樁計(jì)算,計(jì)算模型如圖4。

圖3 滑面以上的計(jì)算模型

圖4 滑面以下的計(jì)算模型

地層基巖為全風(fēng)化的片麻巖,故選用適用于嚴(yán)重風(fēng)化破碎巖層的“m”法(地基系數(shù)隨深度按直線比例變化)。用m法按“剛性樁”或“彈性樁”分析計(jì)算錨索抗滑樁的內(nèi)力。樁身剪力圖如圖5,樁身彎矩圖如圖6。

圖5 樁身剪力圖

圖6 樁身彎矩圖

為滿足樁的穩(wěn)定性,樁側(cè)應(yīng)力不大于地基的側(cè)向抗力,具體的變化值見表5。

表5 樁側(cè)應(yīng)力及地基的側(cè)向抗力

選取其中的最危險(xiǎn)截面(剪力最大或彎矩最大處),樁受彎時(shí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.2,斜截面受剪時(shí)安全系數(shù)取1.3,求得抗滑樁配置3228的鋼筋,雙肢20@150的箍筋。

4 結(jié)論

施工前對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,做出準(zhǔn)確的治理設(shè)計(jì),可將滑坡帶來的危險(xiǎn)性降至最低,得到更高的生產(chǎn)效益。本文首先利用剩余推力法和水平投影法選取兩個(gè)在自然狀態(tài)下的邊坡潛滑面進(jìn)行穩(wěn)定性分析,又在此基礎(chǔ)上做出預(yù)應(yīng)力錨索與預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁共同作用的治理設(shè)計(jì)。計(jì)算設(shè)計(jì)值為3000kN的預(yù)應(yīng)力拉力型錨桿的參數(shù),并針對(duì)抗滑樁最危險(xiǎn)截面的最大彎矩與最大剪力配置鋼筋和箍筋。得出如下結(jié)論：

(1)潛滑面1的穩(wěn)定系數(shù)K=1.01,滑坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；潛滑面2的穩(wěn)定系數(shù)K=0.996,滑坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)：錨固段長(zhǎng)度La=25m,自由段長(zhǎng)度Lf=25m,總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度50m；鉆孔孔徑160mm,桿體直徑120mm。抗滑樁的危險(xiǎn)截面最大彎矩為16313.8kN.m,最大剪力為6441.9kN。配置3228的鋼筋,雙肢20@150的箍筋。