降雨條件下錨桿擋墻加固邊坡穩(wěn)定性分析

■張宏偉

（山西昔榆高速公路有限公司，晉中 030600）

降雨會(huì)提高地下水位， 同時(shí)削弱土體的強(qiáng)度，因此研究邊坡的加固措施以及降雨條件下的穩(wěn)定性對(duì)于保證邊坡安全極為重要[1-4]。有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，次仁拉姆[5]以某省道沿線邊坡為研究對(duì)象，基于土體飽和-非飽和滲流與非飽和強(qiáng)度理論，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)降雨條件下土體孔隙水壓力、邊坡穩(wěn)定系數(shù)和錨桿軸力進(jìn)行了研究分析。 向文賢等[6]以昆明某邊坡為例，采用MIDAS/GTS 分析軟件， 考慮非飽和土滲流理論， 研究了降雨動(dòng)態(tài)條件下邊坡加固結(jié)構(gòu)內(nèi)力和邊坡變形規(guī)律。 傅能武[7]利用Geo-studio 軟件對(duì)降雨入滲條件下某堆浸場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)分析。然而，現(xiàn)有的研究很少對(duì)擋墻和錨桿的受力和變形進(jìn)行分析，基于此，本試驗(yàn)以某邊坡工程采用錨桿擋墻加固為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法分析了降雨條件下錨桿擋墻加固效果，研究結(jié)果可為擋墻加固工程提供參考。

1 工程概況

某鐵路項(xiàng)目穿越我國(guó)西南部某地區(qū)，該地區(qū)常年降雨量充沛，路線的修建需要進(jìn)行大面積的邊坡開(kāi)挖和支護(hù)。 以樁號(hào)DK23+675 典型斷面為分析研究對(duì)象，該位置地層巖性以上層粉質(zhì)黏土、中層夾碎塊粉質(zhì)黏土、下層基巖為主，邊坡開(kāi)挖斷面見(jiàn)圖1。

圖1 原始地貌截面圖

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

采用Geo-Studio 軟件中的極限平衡法進(jìn)行分析，該方法基于摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論，如圖2 所示。邊坡高度為16.0 m，模型長(zhǎng)度和高度分別為32 m和20 m，采用錨桿擋墻支護(hù)模式，鋼筋混凝土擋墻共設(shè)置為四級(jí)，擋墻由立板、底板和斜板構(gòu)成，在擋墻的立板和斜板均設(shè)置排水孔， 其中立板的長(zhǎng)寬厚分別為3、3 和0.3 m，底板的長(zhǎng)厚分別為1.3、0.2 m，斜板的長(zhǎng)厚分別為1.0、0.2 m，斜坡傾斜角度為60°。 最下面一級(jí)擋墻埋入地下1.0 m 深。 錨桿錨固段和自由段長(zhǎng)度分別為5、7 m， 垂直和水平間距均為3 m，采用HRB335 鋼筋并采用M30注漿，錨桿與水平夾角為25°。錨桿擋墻示意圖見(jiàn)圖2（c）。

圖2 數(shù)值模型圖

天然和飽和狀態(tài)下土層的物理力學(xué)參數(shù)以及擋墻和錨桿的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1～3。

表1 天然狀態(tài)下土層和擋墻的物理力學(xué)參數(shù)

表2 飽和狀態(tài)下土層和擋墻的物理力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 邊坡穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/50330-2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，給出了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)，如表4 所示。

表4 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

3 天然工況和降雨工況下穩(wěn)定性分析

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析

不同工況下計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)見(jiàn)表5，并根據(jù)表4 給出了各工況下的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。 由表5 可知，天然工況和降雨工況下，不采取支護(hù)措施時(shí)邊坡的安全系數(shù)分別為0.956 和0.901，均為不穩(wěn)定狀態(tài)，故需要采取加固措施。 采用錨桿擋墻支護(hù)措施后，天然工況和降雨工況下的邊坡安全系數(shù)分別為1.903 和1.654，均能滿足穩(wěn)定性要求，說(shuō)明了該加固方法的有效性。

表5 計(jì)算得到的不同工況下邊坡安全系數(shù)

3.2 邊坡變形分析

為了分析降雨條件下的錨桿擋墻加固邊坡穩(wěn)定性，給出了天然工況和降雨工況下的邊坡水平位移云圖，由圖3、圖4 可知無(wú)支護(hù)時(shí)邊坡最大水平位移發(fā)生在坡面偏下部位置，而采用錨桿擋墻支護(hù)之后，邊坡最大水平位移發(fā)生在了坡頂面。 無(wú)支護(hù)時(shí)，天然工況和降雨工況下的最大水平位移分別為55 mm 和65 mm；而采用錨桿擋墻支護(hù)之后，天然工況和降雨工況下的最大水平位移分別為1.8 mm和3.2 mm，即天然狀態(tài)下采用支護(hù)措施后最大水平位移減小了96.7%，降雨?duì)顟B(tài)下采用支護(hù)措施后最大水平位移減小了95.1%。 當(dāng)有支護(hù)存在時(shí)，降雨條件下邊坡最大水平位移要比天然狀態(tài)下增大77.8%。

圖3 天然工況下邊坡水平位移云圖

圖4 降雨工況下邊坡水平位移云圖

圖5、 圖6 給出了天然工況和降雨工況下的邊坡豎向位移云圖。 可知，無(wú)支護(hù)時(shí)天然工況和降雨工況下的最大豎向位移分別為44 mm 和55 mm；而采用錨桿擋墻支護(hù)之后，天然工況和降雨工況下的最大豎向位移分別為2.0 mm 和4.4 mm， 即天然狀態(tài)下采用支護(hù)措施后最大豎向位移減小了95.5%，降雨?duì)顟B(tài)下采用支護(hù)措施后最大豎向位移減小了92.0%。當(dāng)有支護(hù)存在時(shí)，降雨條件下邊坡最大豎向位移要比天然狀態(tài)下增大120%。

圖5 天然工況下邊坡豎向位移云圖

圖6 降雨工況下邊坡豎向位移云圖

綜上可知，采用錨桿擋墻支護(hù)措施之后，使得邊坡最大水平和豎向位移均減小90%以上，說(shuō)明錨桿擋墻支護(hù)具有很好地加固效果，同時(shí)相比于天然狀態(tài)下，降雨工況下的邊坡變形略有增大。

3.3 擋墻變形分析

為了分析擋墻立板的水平變形，給出了天然和降雨工況下?lián)鯄α逅轿灰疲蓤D7 可知，擋墻立板水平位移隨擋墻高度的增大而增大，在墻頂處的擋墻立板水平位移最大。 降雨工況下?lián)鯄α逅轿灰埔恢贝笥谔烊还r下?lián)鯄α逅轿灰疲涤旯r和天然工況下的最大擋墻立板水平位移分別為1.79 mm 和1.27 mm，降雨工況下?lián)鯄α逅轿灰票忍烊还r下?lián)鯄α逅轿灰圃龃罅?0.9%。

圖7 天然和降雨工況下?lián)鯄α逅轿灰?/p>

為了分析擋墻底板的水平變形，以降雨工況下?lián)鯄Φ装逅轿灰魄€為例進(jìn)行分析，由圖8 可知，各級(jí)擋墻底板水平位移沿底板寬度方向基本不變。

圖8 降雨工況下?lián)鯄Φ装逅轿灰?/p>

圖9 給出了天然和降雨工況下?lián)鯄α遑Q向位移，由圖可知，擋墻立板豎向位移隨擋墻高度的增大而增大， 在墻頂處的擋墻立板豎向位移最大。相比于天然工況下，降雨工況下?lián)鯄α逅轿灰埔恢陛^大，降雨工況和天然工況下的最大擋墻立板豎向位移分別為1.78 mm 和1.14 mm，降雨工況下?lián)鯄α遑Q向位移比天然工況下?lián)鯄α遑Q向位移增大了56.1%。

圖9 天然和降雨工況下?lián)鯄α遑Q向位移

為了分析擋墻底板的豎向變形， 以降雨工況下?lián)鯄Φ装遑Q向位移曲線為例進(jìn)行分析， 由圖10可知， 各級(jí)擋墻底板豎向位移沿底板寬度方向基本不變。

圖10 降雨工況下?lián)鯄Φ装遑Q向位移

3.4 錨桿軸力分析

為了分析錨桿軸力變化，給出了天然和降雨工況下錨桿軸力曲線（圖11、圖12），上、中、下三排錨桿的錨固段長(zhǎng)度均為5 m，錨桿均為受拉狀態(tài)。其中錨固段端頭軸力最大， 隨著錨固段長(zhǎng)度的增大，錨桿軸力減小，在端尾處軸力最小。 由圖11 可知，天然工況下，上、中、下三排錨桿最大軸力值分別為23.8、66.1 和107.2 kN。 由圖12 可知，降雨工況下，上、中、下三排錨桿最大軸力值分別為41.5、83.6 和120.2 kN，降雨工況下上、中、下三排錨桿最大軸力值分別比天然狀態(tài)下大74.4%、26.5%和12.1%。 由于本試驗(yàn)錨桿的抗拉強(qiáng)度為300 N/mm2，因此，在天然工況和降雨工況下錨桿受力滿足要求。

圖11 天然狀態(tài)下錨桿錨固段軸力曲線

圖12 降雨?duì)顟B(tài)下錨桿錨固段軸力曲線

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以某邊坡工程采用錨桿擋墻加固為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法分析了降雨條件下錨桿擋墻加固效果，得到以下結(jié)論：（1）天然工況和降雨工況下， 不采取支護(hù)措施時(shí)邊坡均為不穩(wěn)定狀態(tài)，故需要采取加固措施；采用錨桿擋墻支護(hù)措施后，邊坡安全系數(shù)均能滿足穩(wěn)定性要求，驗(yàn)證了該加固方法的有效性。 （2）采用錨桿擋墻支護(hù)措施之后， 邊坡最大水平和豎向位移均減小90%以上，說(shuō)明錨桿擋墻支護(hù)具有很好的加固效果，同時(shí)相比于天然狀態(tài)下，降雨工況下的邊坡變形略有增大。 （3）降雨工況下?lián)鯄α逅胶拓Q向位移比天然工況下明顯要大， 擋墻底板水平和豎向位移基本不變。（4）上、中、下三排錨桿最大軸力值從上至下依次增大，降雨工況下上、中、下三排錨桿最大軸力值分別比天然狀態(tài)下分別增大74.4%、26.5%和12.1%，但受力均滿足要求，說(shuō)明錨桿擋墻加固措施的可靠性。