開挖邊坡后支護(hù)措施有效性的數(shù)值模擬研究

陸春影

(渦陽縣河道保護(hù)管理服務(wù)中心，安徽 渦陽 233600)

0 前 言

開挖邊坡可保障水利工程順利開展，針對邊坡支護(hù)學(xué)者們進(jìn)行了一系列的研究。劉暉等對云南某邊坡支護(hù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：巖體與錨固體間黏結(jié)強度是一項重要設(shè)計參數(shù)[1]。張振海從邊坡支護(hù)方案的選擇原則、支護(hù)關(guān)系出發(fā)，闡述邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性問題[2]。李翔結(jié)合水利水電邊坡工程，提出了需合理應(yīng)用邊坡開挖技術(shù)以及支護(hù)技術(shù)，以保證邊坡開挖的安全性[3]。董建華等針對季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍脹問題，提出了土釘長度方向剪切分布力的方程，并通過現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬表明此計算方法是合理可行的；代學(xué)山認(rèn)為在水利水電邊坡工程中，必須高度重視高邊坡加固的問題，同時也分析邊坡開挖支護(hù)技術(shù)中的優(yōu)缺點[4-5]。李響研究了路基邊坡中的混凝土，認(rèn)為隨著水灰比及澆筑高度的增加，輕質(zhì)混凝土試樣的干密度及塌陷高度逐漸增大[6]。潘泉發(fā)針對邊坡工程，提出灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨索與石砌擋墻相結(jié)合的支護(hù)形式，并對此支護(hù)形式開展了研究[7]。郭奔等認(rèn)為在重慶地區(qū)，因為施工范圍有限，為充分利用空間，基坑邊坡盡可能設(shè)計狹長陡峭，以保證施工的安全[8]。劉濤認(rèn)為水電邊坡受地勢陡峭，斷層切割等不良地質(zhì)影響，開挖后存在失穩(wěn)的風(fēng)險，施工中應(yīng)加強支護(hù)與開挖工序的協(xié)調(diào)作業(yè)，確保工程安全[9]。桑偉寧等認(rèn)為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有節(jié)省占地、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、形式美觀的特點，并在邊坡支護(hù)中提出了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)的形式，在方案實際施工后取得了良好的支護(hù)效果[10]。

然而以上的成果并沒有研究邊坡開挖后，邊坡的穩(wěn)定性、受力和位移的變化，支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性、受力和位移的變化，針對以上問題文章結(jié)合一實際邊坡開挖工程，利用MIDAS軟件還原邊坡開挖和支護(hù)的全過程，并對邊坡的穩(wěn)定性、受力和位移特征進(jìn)行分析，以評估此次開挖支護(hù)的成功與否。

1 工程概況

水利工程邊坡未開挖前是穩(wěn)定的，由于工程建設(shè)需要對坡腳進(jìn)行了開挖，開挖后發(fā)現(xiàn)此地區(qū)地質(zhì)條件較差，坡腳處發(fā)生了裂縫，因此須對邊坡進(jìn)行加固。通過地質(zhì)勘察可知，此地區(qū)屬于巖溶峰叢地貌，溝谷發(fā)育，地形起伏較大，自然斜坡傾角為28°-37°，峭壁發(fā)育。邊坡最大相對高差約為192m，基巖裸露，未見滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。邊坡實體如圖1所示。

圖1 邊坡實體圖

該區(qū)域地震動反應(yīng)譜特征周期0.35s，地震動峰值加速度為0.05g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。該邊坡存在地下水，經(jīng)勘察可知地下水較發(fā)達(dá)。如圖2所示，擬建高速公路采用挖方路基，開挖高度為4-6m，開挖坡率約為1∶0.4，無防護(hù)狀態(tài)下腳底發(fā)生較小的裂縫。

圖2 邊坡坡腳處開挖

該人工邊坡表層為強風(fēng)化巖，厚度約為10m，以下為中風(fēng)化巖，結(jié)合室內(nèi)物理力學(xué)實驗可知巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

結(jié)合實際地形選取整個邊坡區(qū)域進(jìn)行數(shù)值建模，首先對邊坡開挖后未加任何支護(hù)的條件下，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為保證節(jié)點力傳遞的有效性，邊坡統(tǒng)一按照1m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，均選擇混合四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

未加支護(hù)后的邊坡開展數(shù)值模擬研究后，繼而增加支護(hù)措施，最后對增加支護(hù)后的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以分析支護(hù)措施的有效性。數(shù)值模擬對邊坡左右兩邊界進(jìn)行位移約束，對底面進(jìn)行剛性約束。

2.2 模擬的結(jié)果

2.2.1 未加支護(hù)時模擬結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)場施工的情況，將開挖后的邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從剪應(yīng)力和豎向位移兩個方面開展研究，模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 未加支護(hù)邊坡的剪應(yīng)力(單位：kPa)

由圖3可知，現(xiàn)階段剪切面已貫通，數(shù)值模擬安全系數(shù)為0.98，安全系數(shù)<1，說明開挖后的邊坡確實應(yīng)當(dāng)進(jìn)行支護(hù)。剪切面為強風(fēng)化巖與中風(fēng)化巖的交界面，與工程經(jīng)驗一致，一定程度上說明數(shù)值模擬中滑動面的合理性。最大剪切應(yīng)力集中于兩層巖土體的交界面，15%巖土體的剪應(yīng)力約為48 kPa，78%巖土體的剪切應(yīng)力可忽略不計，說明強風(fēng)化巖區(qū)域是支護(hù)的重點。

圖4 未加支護(hù)邊坡的豎向位移(單位：m)

由圖4可知，未加支護(hù)的邊坡豎向位移主要集中于強風(fēng)化區(qū)域，此區(qū)域最大豎向位移接近1cm，且此區(qū)域占邊坡巖土體的5.7%，超過5mm沉降位移的區(qū)域占整個邊坡巖土體的12%，50%巖土體的位移在1mm至5mm，以上數(shù)據(jù)說明邊坡開挖后必然會發(fā)生較大的豎向位移變化，與實際情況一致，當(dāng)坡腳開挖后，在重力作用下邊坡必須會發(fā)生沉降變化。由圖4可知，必須加強邊坡的支護(hù)，以保證邊坡的穩(wěn)定。

圖4和圖5均說明，邊坡的穩(wěn)定性得不到保證，邊坡隨時有失穩(wěn)的危險，必須進(jìn)行支護(hù)處理，且支護(hù)的重點位于強風(fēng)化巖區(qū)域。

2.2.2 增加支護(hù)后模擬結(jié)果

結(jié)合未加支護(hù)時的數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，支護(hù)主要為錨桿、錨索和抗滑樁，支護(hù)完成后開展數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 支護(hù)后邊坡的剪應(yīng)力(單位：kPa)

由圖5可知，增加支護(hù)以后，邊坡剪應(yīng)力區(qū)域明顯分散，滑動面未貫通，此時的安全系數(shù)為1.42，由此可知，支護(hù)措施是達(dá)到了防止邊坡滑動的目的。對比圖3中剪應(yīng)力數(shù)值可知，邊坡所愛的剪應(yīng)力數(shù)值明顯減小，說明支護(hù)措施防止了邊坡巖土體應(yīng)力集中，將力更多的傳遞至支護(hù)措施，達(dá)到了治理邊坡滑動的目的。

圖6 未加支護(hù)邊坡的豎向位移(單位：m)

由圖6可知，邊坡的水平位移主要集中于坡頂處，最大值為1.4mm，此數(shù)值不超過5mm，說明邊坡的水平位移控制在合理的范圍內(nèi)，不會對邊坡的位移造成不良影響。

由圖5和圖6可知，支護(hù)后的邊坡不會發(fā)生滑動，支護(hù)措施有效，邊坡的安全性得到了保證。

3 結(jié) 論

邊坡開挖后，未加支護(hù)措施前對邊坡開展了數(shù)值模擬研究，結(jié)合此研究的結(jié)果對邊坡進(jìn)行了支護(hù)，支護(hù)后對邊坡的再進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究的結(jié)果如下：

1)邊坡開挖后，安全系數(shù)為0.98，滑動面貫通，豎向位移過大，說明邊坡隨時有滑動的隱患，必須加以支護(hù)。

2)采用錨桿、錨索和抗滑樁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)后的邊坡安全系數(shù)為1.48，滑動面未貫通，剪應(yīng)力和水平位移均控制在合理范圍內(nèi)，說明邊坡支護(hù)措施是有效的，達(dá)到了防治邊坡滑動的目的。

3)以上的研究可供邊坡開挖范圍較小、地下水位較淺的邊坡設(shè)計提供參考，對于開挖面積較大的邊坡，尚有待進(jìn)一步研究。