某市政邊坡失穩(wěn)模式分析及加固設(shè)計(jì)

肖登峰

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，城鎮(zhèn)建設(shè)逐漸向郊區(qū)輻射，市政道路建設(shè)成了市政工程的重要內(nèi)容之一，但市政道路建設(shè)引發(fā)沿線邊坡滑塌事件時(shí)有發(fā)生[1]，邊坡穩(wěn)定性成了市政道路修建中不可忽視的問題。因此，在實(shí)際工程中需要對邊坡采取經(jīng)濟(jì)有效的加固防護(hù)。

邊坡設(shè)計(jì)需要建立在對邊坡坡體結(jié)構(gòu)和失穩(wěn)模式分析的基礎(chǔ)上[2]，失穩(wěn)模式分析通常采用極限平衡法和有限元法。極限平衡法建立在多種假定條件下，對邊坡的失穩(wěn)模式分析與真實(shí)邊坡存在較多差異。基于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的有限元分析法則更為靈活方便，在分析復(fù)雜邊坡的失穩(wěn)模式上更有優(yōu)勢[3]。本文以某市政邊坡作為研究對象，選取兩個(gè)典型剖面分析其失穩(wěn)模式，基于該邊坡失穩(wěn)模式選取加固防護(hù)措施，并結(jié)合有限元和極限平衡法評估該邊坡加固后的穩(wěn)定情況。

1 工程概況

該邊坡為土質(zhì)挖方邊坡，長度約225m，高度7m，坡度20°～40°，走向北東，傾向南東。邊坡坡腳距道路5m～6m，坡腳為道路及隧道工程；坡頂為林地，周邊無建構(gòu)造物。該邊坡屬于永久性邊坡，邊坡安全等級(jí)為二級(jí)，邊坡主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，該邊坡在一般工況的穩(wěn)定安全系數(shù)需達(dá)到1.30，在地震工況時(shí)應(yīng)達(dá)到1.10，如表1所示。

表1 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

該邊坡由殘積土和風(fēng)化基巖組成，從上到下分為5個(gè)地層，分別是素填土、矽線云母片巖殘積粘性土、全風(fēng)化矽線云母片巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化矽線云母片巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化矽線云母片巖。根據(jù)前期鉆探資料，該邊坡劃分為15個(gè)剖面，如圖1所示，部分剖面的鉆孔資料未揭示碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層。

2.2 巖土工程物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場取樣和土工試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，確定該邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 某市政邊坡概況

3 基于有限元的邊坡失穩(wěn)模式分析

探究邊坡失穩(wěn)模式是邊坡加固設(shè)計(jì)的重要一步，其目的在于：針對邊坡失穩(wěn)模式，采取經(jīng)濟(jì)有效的加固措施達(dá)到穩(wěn)固邊坡的效果。邊坡失穩(wěn)模式的分析方法以極限平衡法和有限元法為主。極限平衡法通過預(yù)先假定滑動(dòng)面計(jì)算最小安全系數(shù)，滑動(dòng)面形狀和依附界面與地層巖性、坡面形狀和坡度等多種因素有關(guān)，因此基于極限平衡法分析邊坡失穩(wěn)模式有失偏頗。有限元法則是通過巖土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析邊坡滑動(dòng)面，更接近實(shí)際邊坡的失穩(wěn)模式。故本文以二維有限元法分析該市政邊坡失穩(wěn)模式。

二維有限元即通過選取安全系數(shù)最小的典型剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析。初期的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示，以8-8剖面和10-10剖面最為不穩(wěn)定。

3.1 建立數(shù)值模型

基于前期勘察鉆孔揭示的坡體結(jié)構(gòu)，建立有限元數(shù)值模型，選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，采用三角形網(wǎng)格將8-8剖面計(jì)算模型劃分為4233個(gè)單元，10-10剖面的計(jì)算單元分為4172單元。兩個(gè)數(shù)值模型如圖2～圖3所示。

圖2 8-8剖面數(shù)值分析模型

圖3 10-10剖面數(shù)值分析模型

3.2 邊坡失穩(wěn)模式分析

圖4 8-8剖面總位移變形圖

該邊坡類型為土質(zhì)邊坡，邊坡所在區(qū)域降雨充沛，地下水主要賦存于坡體底部的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化矽線云母片巖和中風(fēng)化矽線云母片巖中，全風(fēng)化矽線云母片巖和殘積土層具遇水易軟化、崩解的工程性能，在強(qiáng)降雨和地下水等影響下容易誘發(fā)邊坡發(fā)生沿接觸帶近似圓弧面滑動(dòng)的失穩(wěn)模式。結(jié)合有限元強(qiáng)度折減法對8-8剖面和10-10剖面進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，8-8剖面計(jì)算的位移剖面圖如圖4所示。計(jì)算結(jié)果顯示，在一般工況條件下，未進(jìn)行支護(hù)的邊坡安全系數(shù)達(dá)到1.354，且變形區(qū)域集中于殘積土層并呈圓弧狀，變形厚度約5m；8-8剖面的最大剪切應(yīng)變圖如圖5所示，滑動(dòng)面依附于殘積土層底層，在坡腳處剪出，并有逐步向深部地層發(fā)展趨勢。10-10剖面計(jì)算結(jié)果顯示，在一般工況條件下該斷面的安全系數(shù)為1.19，低于規(guī)范要求的1.30安全系數(shù)儲(chǔ)備。圖6的位移變形云圖揭示了該剖面的主要變形區(qū)域集中于殘積土層，呈圓弧狀；變形區(qū)域厚度達(dá)5.4m，變形區(qū)域距坡頂9.2m。圖7揭示了潛在滑動(dòng)面整體依附于殘積土層，有逐漸貫通的趨勢。

結(jié)合8-8剖面和10-10剖面的計(jì)算結(jié)果，該市政邊坡的失穩(wěn)模式主要是依附于矽線云母片巖殘積土層和全風(fēng)化矽線云母片巖的接觸界面的圓弧狀滑動(dòng)，于坡腳處剪出；整個(gè)滑動(dòng)體的厚度約5m，滑動(dòng)體后緣距坡頂臨空面約7～9m。兩個(gè)剖面的計(jì)算結(jié)果顯示在一般工況條件下，8-8剖面滿足規(guī)范要求，但10-10剖面的安全系數(shù)儲(chǔ)備低于規(guī)范要求，需要考慮對其進(jìn)行加固。

圖5 8-8剖面最大剪切應(yīng)變圖

圖6 10-10剖面總位移變形圖

圖7 10-10剖面最大剪切應(yīng)變圖

4 市政邊坡加固設(shè)計(jì)

4.1 加固設(shè)計(jì)方案

基于前文對該市政邊坡的失穩(wěn)模式分析，針對該邊坡潛在滑動(dòng)面依附在殘積土層，且滑動(dòng)面深度較淺，考慮經(jīng)濟(jì)和場地情況，采用全粘結(jié)錨桿加固是較為經(jīng)濟(jì)有效的加固手段，即在坡面布設(shè)泄水孔，坡腳設(shè)置水渠，減少長期降雨引起邊坡失穩(wěn)的可能。具體設(shè)計(jì)方案如圖8～圖9所示。

圖8 8-8剖面邊坡加固設(shè)計(jì)方案

圖9 10-10剖面邊坡加固設(shè)計(jì)方案

4.2 邊坡加固后穩(wěn)定性分析

在采取以錨固為主的加固措施后，錨桿類型為全粘結(jié)錨桿，對該市政邊坡進(jìn)行加固后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，所采用錨桿的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 錨桿物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬得到在一般工況條件下8-8剖面的安全系數(shù)為1.452，8-8剖面的位移圖和最大剪切變形圖如圖10～圖11所示；10-10剖面的安全系數(shù)為1.34，10-10剖面的位移圖和最大剪切變形圖如圖12～圖13所示；兩個(gè)剖面均達(dá)到規(guī)范的安全系數(shù)儲(chǔ)備要求。

圖10 8-8剖面加固后邊坡總位移云圖

圖12 10-10剖面加固后邊坡總位移云圖

圖13 10-10剖面加固后邊坡最大剪切應(yīng)變云圖

4.3 邊坡加固后的失穩(wěn)模式

經(jīng)過錨桿加固處理后，兩個(gè)剖面的失穩(wěn)模式都發(fā)生了變化。圖10顯示，8-8剖面在采取全粘結(jié)錨桿支護(hù)后的變形區(qū)域集中于全風(fēng)化層，從淺層局部變形轉(zhuǎn)變?yōu)檎w滑動(dòng)變形。圖11顯示，該邊坡的主要滑動(dòng)面仍然依附于殘積土層，但全風(fēng)化矽線云母片巖層也有部分區(qū)域有剪切應(yīng)力集中，滑動(dòng)面呈現(xiàn)淺部為主、深部發(fā)展貫通的趨勢，并在坡腳處剪出。

10-10剖面在經(jīng)過錨桿加固處理后表現(xiàn)出與8-8剖面不同的失穩(wěn)模式，變形區(qū)域主要集中于上層兩個(gè)臺(tái)階區(qū)域并依附于殘積土層底部界面，變形范圍減少。圖13顯示剪應(yīng)變主要分布在殘積土層，但滑動(dòng)面有向全風(fēng)化層發(fā)展的趨勢。

5 結(jié)論

本研究通過對選取的兩個(gè)典型剖面進(jìn)行失穩(wěn)模式分析，采取全粘結(jié)錨桿進(jìn)行邊坡加固，并基于有限元法分析邊坡加固效果，得到以下兩個(gè)結(jié)論。

(1)綜合工程地質(zhì)條件和數(shù)值模擬方法，該邊坡的失穩(wěn)模式是依附于矽線云母片巖殘積土層底部接觸界面的圓弧狀滑動(dòng)。

(2)采用全粘結(jié)錨桿加固方案，該邊坡穩(wěn)定性大大提高，潛在滑動(dòng)面從加固前的坡腳處剪出，轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨弦慌_(tái)階為剪出口，使邊坡從整體性滑動(dòng)轉(zhuǎn)為局部小區(qū)域的滑動(dòng)。