順層邊坡錨桿(索)框架梁加固的數(shù)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(shè)中較為常見，極易發(fā)生邊坡變形破壞。由于對順層邊坡的破壞機理缺乏深入認(rèn)識，因穩(wěn)定性預(yù)防措施不足或不當(dāng)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(shè)計不力產(chǎn)生了巨型順層滑坡災(zāi)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(wěn)定性預(yù)估不足導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)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(wěn)定性及處治方法仍缺乏較為系統(tǒng)的認(rèn)識和評價。因此，研究順層邊坡的穩(wěn)定性及處治方法，對工程建設(shè)以及人民生命財產(chǎn)安全都具有重大的意義[1-5]。

1 工程地質(zhì)概況

河池至百色高速公路№11標(biāo)K157+998～K158+105段左側(cè)路塹邊坡位于百色市田陽縣和右江區(qū)境內(nèi)，地處云貴高原邊緣山區(qū)，構(gòu)造是控制區(qū)內(nèi)地貌發(fā)育的主要因素，區(qū)內(nèi)常背斜成山，向斜成谷。場址區(qū)為構(gòu)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(jù)區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)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(nèi)由第四系殘坡積(Qel+dl)和三疊系百逢組(T2b)地層構(gòu)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(zhì)成分不均，切面光亮，底部含約為30%的強風(fēng)化砂巖質(zhì)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(fēng)化砂巖(T2b)：灰黃、紫紅色，礦物成分基本風(fēng)化成土狀，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯多呈硬土狀，浸水易軟，為極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

6-422強風(fēng)化砂巖(T2b)：夾薄層泥、頁巖，泥、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層夾薄層狀構(gòu)造，砂巖多為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，原巖結(jié)構(gòu)及礦物成分大部分風(fēng)化蝕變，風(fēng)化裂隙密集，結(jié)構(gòu)面間鐵錳質(zhì)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(zhì)量等級為Ⅴ級。

6-423中風(fēng)化砂巖(T2b)：夾薄層泥、頁巖，泥、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層夾薄層狀構(gòu)造，砂巖多為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，主要礦物成分為長石。節(jié)理發(fā)育，約3～5條/m，結(jié)構(gòu)面間可見鐵錳風(fēng)化物薄膜，結(jié)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(zhì)量等級為Ⅲ級。

2 加固前邊坡穩(wěn)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(shù)值計算方法。而FLAC 3D軟件可對巖土、支護結(jié)構(gòu)等建立三維模型，非常適合進行較為復(fù)雜的非線性巖土工程數(shù)值分析[6-8]。

2.2 參數(shù)取值

各巖場主要巖土體參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)土工試驗確定，并參照《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)，該路塹邊坡巖土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)指標(biāo)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(biāo)段。根據(jù)需要對實際地質(zhì)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(cè)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(zhì)剖面圖(m)

在數(shù)值計算過程中，本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖塑性屈服模型，共劃分單元35 856個、節(jié)點41 040個，得到如圖2所示的ANSYS網(wǎng)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(wǎng)格劃分及分組模型。

圖2 ANSYS網(wǎng)格劃分模型圖

圖3 FLAC 3D網(wǎng)格劃分及分組模型云圖

2.4 穩(wěn)定性分析

2.4.1 塑性區(qū)分析

如圖4所示為邊坡加固前塑性區(qū)分布云圖。由圖4可知，加錨前剪切塑性區(qū)幾乎遍布整個邊坡模型，拉伸塑性區(qū)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(nèi)，剪切和拉伸塑性區(qū)主要分布在第七級邊坡范圍內(nèi)。雖然分布在表面的拉伸塑性區(qū)較少，但模型表面和內(nèi)部剪切塑性區(qū)范圍比較大，而且出現(xiàn)連通的現(xiàn)象。這表明該邊坡在未采取加固措施的情況下出現(xiàn)深層滑動的可能性比較大，邊坡整體穩(wěn)定性較差。

圖4 加固前塑性區(qū)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(nèi)部逐漸減小。在邊坡完成開挖后，其最大位移集中發(fā)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(xiàn)了滑坡災(zāi)害現(xiàn)象。

圖5 加固前最大位移等值線云圖(m)

2.4.3 應(yīng)力分析

如圖6～7所示為邊坡加固前第三主應(yīng)力及第一主應(yīng)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(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力性質(zhì)，邊坡整體上沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力；同時，邊坡表面和其余部分的第一主應(yīng)力均表現(xiàn)出較好的層狀分布，與邊坡巖土層厚度存在較好的適應(yīng)性，表明邊坡體主要受壓應(yīng)力作用，而受拉應(yīng)力作用的影響較為微弱。

圖6 加固前第三主應(yīng)力等值云圖(Pa)

圖7 加固前第一主應(yīng)力等值云圖(Pa)

3 錨桿(索)框架梁加固邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 順層邊坡加固方案

根據(jù)原地質(zhì)鉆孔及現(xiàn)場開挖情況，該段邊坡為順層滑坡，設(shè)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(yán)格按照自上而下的開挖施工順序進行，坡面開挖應(yīng)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(fā)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(jié)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(zhǔn)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(huán)節(jié)有兩個：(1)錨孔成孔，其技術(shù)關(guān)鍵是如何防止孔壁坍塌、卡鉆；(2)錨孔注漿，其技術(shù)關(guān)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(yù)應(yīng)力鋼絞線，鋼絞線強度f=1 860 MPa，張拉控制應(yīng)力為550 kN，采用與其配套的錨具系列，錨孔內(nèi)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(yīng)用于巖質(zhì)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(zāi)害。錨桿的作用機理主要是巖土體變形通過粘結(jié)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(yù)應(yīng)力錨索的作用機理主要是通過對錨索所施加的預(yù)應(yīng)力將穩(wěn)定體與滑動體聯(lián)結(jié)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(jié)構(gòu)和主動式支護結(jié)構(gòu)[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(xiàn)。錨索單元可在拉(壓)力下達到屈服狀態(tài)，但不能承擔(dān)彎矩作用。其錨固段采用空間彈簧粘結(jié)滑移單元來模擬，采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則。錨桿單元結(jié)合了梁與錨索單元的特性，在巖體網(wǎng)格中通過剪切與法向非線性聯(lián)結(jié)彈簧實現(xiàn)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(lián)結(jié)實現(xiàn)，并將力傳至其所附著的巖土體，最終在數(shù)值模擬中實現(xiàn)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(wěn)定性分析

本計算模型共施加錨桿(索)單元、梁單元等結(jié)構(gòu)單元共3 184個，結(jié)構(gòu)節(jié)點共4 731個。

3.3.1 塑性區(qū)分析

如圖10所示為邊坡支護后塑性區(qū)分布云圖。由圖10可知，邊坡經(jīng)支護處理后，處于剪切塑性狀態(tài)的區(qū)域大幅減少，且集中出現(xiàn)在坡頂以下的深部坡體中；拉伸塑性區(qū)域主要分布在第六級、第八級及坡底范圍內(nèi)；剪切和拉伸塑性區(qū)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(qū)大幅較少，而模型表面拉伸塑性區(qū)范圍相應(yīng)增大，但并未出現(xiàn)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(chǎn)生了對邊坡滑坡體的擠壓、嵌固效應(yīng)，使被擠壓的巖土體出現(xiàn)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(wěn)定。

圖10 支護后塑性區(qū)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(jīng)支護后，由于錨索(桿)框架梁及預(yù)應(yīng)力的影響，臨空向位移量顯著減小，坡體最大位移出現(xiàn)在坡面第四級臺階平臺附近范圍內(nèi)，此時，最大位移量僅為18.73 mm。由此可見，巖土體已與加固結(jié)構(gòu)形成一個復(fù)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(wěn)定性。

圖11 支護后最大位移等值線云圖(mm)

3.3.3 應(yīng)力分析

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

3.3.4 結(jié)構(gòu)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(tài)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(shè)計所施加的預(yù)應(yīng)力值，這說明錨索框架結(jié)構(gòu)與巖土體并未出現(xiàn)滑動、應(yīng)力松弛甚至失效的現(xiàn)象，該組合結(jié)構(gòu)處于良好的設(shè)計受力狀態(tài)。

圖12 支護后第三主應(yīng)力等值云圖(Pa)

圖13 支護后第一主應(yīng)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(jié)語

本文利用FLAC 3D軟件在巖土工程計算上的獨特優(yōu)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(cè)路塹邊坡在開挖未加固狀態(tài)以及采用錨桿(索)與框架梁結(jié)構(gòu)體系加固方案后的順層邊坡的穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論或建議：

(1)三維數(shù)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(nèi)部逐漸減小。順層邊坡在未采取加固措施的情況下出現(xiàn)深層滑動的可能性比較大，邊坡整體穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)滑坡災(zāi)害。

(2)一般坡體坡面越長，分級開挖的次數(shù)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(wěn)定，在邊坡設(shè)計中應(yīng)該考慮相關(guān)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(jié)構(gòu)體系，能夠均化坡體位移場和應(yīng)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(wěn)定性。

(4)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合框架梁的組合結(jié)構(gòu)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(nèi)的塑性區(qū)，保證坡面的穩(wěn)定性。同時，框架梁設(shè)計應(yīng)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(jié)構(gòu)體系，從而具有加固坡體的作用，能夠有效防止邊坡滑塌災(zāi)害。