順層邊坡錨桿(索)框架梁加固的數值分析

錢海洋

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

順層邊坡在道路巖體工程建設中較為常見，極易發生邊坡變形破壞。由于對順層邊坡的破壞機理缺乏深入認識，因穩定性預防措施不足或不當而造成的滑坡事故屢見不鮮。1963年，意大利瓦依昂水庫接近壩庫的部位因勘察設計不力產生了巨型順層滑坡災害，造成了包括2 700多人傷亡的重大損失。1996年，貴陽市沙沖路滑坡也屬于典型的大型順層滑坡，由于對順層坡體穩定性預估不足導致滑坡失穩破壞，造成了54人傷亡的慘痛事件。目前，人們對順層邊坡的穩定性及處治方法仍缺乏較為系統的認識和評價。因此，研究順層邊坡的穩定性及處治方法，對工程建設以及人民生命財產安全都具有重大的意義[1-5]。

1 工程地質概況

河池至百色高速公路№11標K157+998～K158+105段左側路塹邊坡位于百色市田陽縣和右江區境內，地處云貴高原邊緣山區，構造是控制區內地貌發育的主要因素，區內常背斜成山，向斜成谷。場址區為構造侵蝕及剝蝕低山淺切割碎屑巖地貌，邊坡處地形坡度較陡，山坡自然坡度約為20°～35°。根據區域工程地質調繪、鉆探及工程物探等手段揭示的巖性特征，該高邊坡路段地層在揭示深度范圍內由第四系殘坡積(Qel+dl)和三疊系百逢組(T2b)地層構成，地層巖性自上而下依次為：

4-124黏土(Qel+dl)：硬塑狀，稍濕，土質成分不均，切面光亮，底部含約為30%的強風化砂巖質礫石，顆粒粒徑為2～30 mm不等，多呈次棱角狀，用手難折斷，層厚為0.80～2.30 m。

6-421全風化砂巖(T2b)：灰黃、紫紅色，礦物成分基本風化成土狀，原巖結構基本破壞，巖芯多呈硬土狀，浸水易軟，為極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。

6-422強風化砂巖(T2b)：夾薄層泥、頁巖，泥、砂質結構，中厚層夾薄層狀構造，砂巖多為粉砂巖、泥質粉砂巖，原巖結構及礦物成分大部分風化蝕變，風化裂隙密集，結構面間鐵錳質氧化物充填，巖體破碎，巖芯多呈碎塊、團塊，為軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。

6-423中風化砂巖(T2b)：夾薄層泥、頁巖，泥、砂質結構，中厚層夾薄層狀構造，砂巖多為粉砂巖、泥質粉砂巖，主要礦物成分為長石。節理發育，約3～5條/m，結構面間可見鐵錳風化物薄膜，結合程度一般，巖體較破碎～較完整，巖芯多呈中、長柱狀，RQD約為40%，為較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ級。

2 加固前邊坡穩定性分析

2.1 FLAC 3D特點

快速拉格郎日差分法是一種基于有限差分原理的數值計算方法。而FLAC 3D軟件可對巖土、支護結構等建立三維模型，非常適合進行較為復雜的非線性巖土工程數值分析[6-8]。

2.2 參數取值

各巖場主要巖土體參數根據現場原位測試和室內土工試驗確定，并參照《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)，該路塹邊坡巖土體物理力學指標如表1所示。

表1 巖土體物理力學指標表

2.3 模型的建立

選取河百高速公路№11合同段K158+000～K158+036邊坡開挖段作為典型分析目標段。根據需要對實際地質模型進行簡化，整個模型x方向為180 m，y方向為36 m，z方向為125 m，其中x為邊坡滑動方向，y為線路走向，z為豎直方向。模型底面固定，背面及左右兩側法向約束，坡體表面為自由面。原始邊坡剖面如圖1所示。

圖1 原始邊坡地質剖面圖(m)

在數值計算過程中，本構模型采用摩爾-庫侖塑性屈服模型，共劃分單元35 856個、節點41 040個，得到如圖2所示的ANSYS網格劃分模型，然后通過編制的接口程序，最終得到如圖3所示的FLAC 3D網格劃分及分組模型。

圖2 ANSYS網格劃分模型圖

圖3 FLAC 3D網格劃分及分組模型云圖

2.4 穩定性分析

2.4.1 塑性區分析

如圖4所示為邊坡加固前塑性區分布云圖。由圖4可知，加錨前剪切塑性區幾乎遍布整個邊坡模型，拉伸塑性區主要分布在第六級和第七級、第八級和第九級邊坡交接范圍內，剪切和拉伸塑性區主要分布在第七級邊坡范圍內。雖然分布在表面的拉伸塑性區較少，但模型表面和內部剪切塑性區范圍比較大，而且出現連通的現象。這表明該邊坡在未采取加固措施的情況下出現深層滑動的可能性比較大，邊坡整體穩定性較差。

圖4 加固前塑性區分布云圖

2.4.2 位移分析

如圖5所示為邊坡加固前最大位移等值線云圖。由圖5可知，邊坡未加固時，不考慮降雨等因素影響，坡體位移主要因卸荷引起，且由坡體表面向內部逐漸減小。在邊坡完成開挖后，其最大位移集中發生在坡面處，且越往上坡面位移越大。由此可見，由于開挖卸荷的影響，在未支護條件下邊坡位移有較大幅度增加，已出現了滑坡災害現象。

圖5 加固前最大位移等值線云圖(m)

2.4.3 應力分析

如圖6～7所示為邊坡加固前第三主應力及第一主應力等值云圖。從圖6～7可知，邊坡未支護時，邊坡表面及坡體深部第三主應力均表現為壓應力性質，邊坡整體上沒有出現拉應力；同時，邊坡表面和其余部分的第一主應力均表現出較好的層狀分布，與邊坡巖土層厚度存在較好的適應性，表明邊坡體主要受壓應力作用，而受拉應力作用的影響較為微弱。

圖6 加固前第三主應力等值云圖(Pa)

圖7 加固前第一主應力等值云圖(Pa)

3 錨桿(索)框架梁加固邊坡穩定性分析

3.1 順層邊坡加固方案

根據原地質鉆孔及現場開挖情況，該段邊坡為順層滑坡，設計中主要采用上部卸載、坡面加強防護和坡腳加固等處治方案。對于高路塹邊坡工程施工，嚴格按照自上而下的開挖施工順序進行，坡面開挖應盡可能一次性成型，待上級邊坡防護工程全部施作完成并能發揮作用后方可進行下級邊坡的施工，遵循“開挖一級防護一級”的原則，直至全部邊坡防護工程結束。本段高路塹邊坡采用臺階式放坡，開挖由上至下分為9級，每10 m分一級。邊坡防護、加固工程方案如表2所示，錨索框架立面圖和錨桿格梁立面圖分別如圖8、圖9所示。

錨索施工工藝流程為：施工準備→錨孔鉆造→錨索制作安裝→錨孔注漿→框架梁施工→錨孔張拉鎖定→驗收封錨等。其主要施工環節有兩個：(1)錨孔成孔，其技術關鍵是如何防止孔壁坍塌、卡鉆；(2)錨孔注漿，其技術關鍵是如何將孔底的空氣、巖(土)沉渣和地下水體排出孔外，保證注漿飽滿密實。錨索錨孔孔徑為φ150 mm，錨索材料采用高強度低松弛的φ15.24 mm預應力鋼絞線，鋼絞線強度f=1 860 MPa，張拉控制應力為550 kN，采用與其配套的錨具系列，錨孔內灌注M30水泥(砂)漿，水泥采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥。

表2 邊坡防護方案表(自上而下)

圖8 錨索框架立面圖(mm)

圖9 錨桿格梁立面圖(cm)

3.2 模擬原理和方法

3.2.1 模擬原理

錨桿框架、錨索框架梁多應用于巖質高邊坡工程中，具有加固表層巖土體的作用，能夠有效防止邊坡滑塌災害。錨桿的作用機理主要是巖土體變形通過粘結材料傳遞給錨桿，錨桿受拉受剪從而起到加固巖土體的作用；預應力錨索的作用機理主要是通過對錨索所施加的預應力將穩定體與滑動體聯結為一個整體，從而增加巖土體各層面的抗滑力。可以說，錨桿和錨索可以分別看作是被動式支護結構和主動式支護結構[9]。

3.2.2 模擬方法

巖土體的開挖通過FLAC 3D軟件中的NULL單元來實現。錨索單元可在拉(壓)力下達到屈服狀態，但不能承擔彎矩作用。其錨固段采用空間彈簧粘結滑移單元來模擬，采用摩爾-庫侖準則作為屈服準則。錨桿單元結合了梁與錨索單元的特性，在巖體網格中通過剪切與法向非線性聯結彈簧實現與其相互作用。框架梁單元為三維線彈性單元，可以承受一定的彎矩，允許一定的撓曲。錨索(桿)與框架梁單元之間及其與巖土體的相互作用通過聯結實現，并將力傳至其所附著的巖土體，最終在數值模擬中實現加固體之間以及其與所加固巖體之間的相互作用[10-11]。

3.3 穩定性分析

本計算模型共施加錨桿(索)單元、梁單元等結構單元共3 184個，結構節點共4 731個。

3.3.1 塑性區分析

如圖10所示為邊坡支護后塑性區分布云圖。由圖10可知，邊坡經支護處理后，處于剪切塑性狀態的區域大幅減少，且集中出現在坡頂以下的深部坡體中；拉伸塑性區域主要分布在第六級、第八級及坡底范圍內；剪切和拉伸塑性區則主要分布在第四級及第六、七級交接處。由此可見，分布在坡面的剪切塑性區大幅較少，而模型表面拉伸塑性區范圍相應增大，但并未出現連通的塑性體，這是由于錨索(錨桿)與框架梁單元之間以及其與巖土體的相互作用產生了對邊坡滑坡體的擠壓、嵌固效應，使被擠壓的巖土體出現了部分拉伸塑性變形，這也表明采取錨索(桿)框架梁加固措施能夠有效保證順層邊坡巖土體的穩定。

圖10 支護后塑性區分布云圖

3.3.2 位移分析

如圖11所示為邊坡支護后最大位移等值線云圖。由圖11可知，邊坡經支護后，由于錨索(桿)框架梁及預應力的影響，臨空向位移量顯著減小，坡體最大位移出現在坡面第四級臺階平臺附近范圍內，此時，最大位移量僅為18.73 mm。由此可見，巖土體已與加固結構形成一個復合整體，使坡體開挖后的順坡向位移有較顯著的減小，極大提高了邊坡的穩定性。

圖11 支護后最大位移等值線云圖(mm)

3.3.3 應力分析

如圖12～13所示，邊坡支護后，邊坡表面第三主應力值較小且拉、壓應力表現并不明顯，坡底則表現出拉應力性質，表明僅有坡底受微弱的拉應力作用影響，邊坡表面及深部整體上沒有出現拉應力，這對邊坡整體的穩定是有利的。因此，錨桿(索)框架梁組合結構的支護效果比較明顯。

3.3.4 結構單元受力分析

如圖14所示為錨桿(索)及框架梁布置云圖，如圖15所示為開挖-支護工況下錨桿(索)框架梁的最終受力狀態云圖。從圖14～15可以看出，第五級～第八級邊坡錨索的軸向拉力最大，達到了400 kN，等于設計所施加的預應力值，這說明錨索框架結構與巖土體并未出現滑動、應力松弛甚至失效的現象，該組合結構處于良好的設計受力狀態。

圖12 支護后第三主應力等值云圖(Pa)

圖13 支護后第一主應力等值云圖(Pa)

圖14 錨桿(索)及框架梁布置云圖

圖15 錨索軸力云圖(N)

4 結語

本文利用FLAC 3D軟件在巖土工程計算上的獨特優勢，分析了河池至百色高速公路№11合同段K157+998～K158+105路段左側路塹邊坡在開挖未加固狀態以及采用錨桿(索)與框架梁結構體系加固方案后的順層邊坡的穩定性，得出以下結論或建議：

(1)三維數值計算表明，順層邊坡在開挖未支護過程中，不考慮降雨等因素影響，邊坡巖土體位移主要因卸荷引起，且由邊坡表面向坡體內部逐漸減小。順層邊坡在未采取加固措施的情況下出現深層滑動的可能性比較大，邊坡整體穩定性較差，容易出現滑坡災害。

(2)一般坡體坡面越長，分級開挖的次數也就越多，對坡體土體的擾動越大，坡體位移變形也越大，越不利于邊坡的穩定，在邊坡設計中應該考慮相關加固措施。

(3)對比未加固邊坡在臨空方向沒有整體約束作用，錨桿與框架梁組合成為有機支護結構體系，能夠均化坡體位移場和應力場分布，顯著減小邊坡中部的淺層位移，提高邊坡中部巖土體的穩定性。

(4)預應力錨索結合框架梁的組合結構對順層邊坡起到了主動防護的作用，能在一定程度上改善坡體的位移變形及減少坡體內的塑性區，保證坡面的穩定性。同時，框架梁設計應盡量采用小間距、小噸位的錨索，確保坡體受力均勻。

總之，嵌于邊坡的框架梁通過與土體中的錨桿(索)形成整體受力結構體系，從而具有加固坡體的作用，能夠有效防止邊坡滑塌災害。