王東英,楊光華,陸耀波
(1.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 511483;2.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣州 510635;3. 廣東省巖土工程技術(shù)研究中心,廣州 510635)
邊坡的加固設(shè)計(jì)需綜合考慮邊坡的地形地貌、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)等因素[1],應(yīng)以既能保證路塹邊坡的穩(wěn)定可靠,又盡可能降低加固工程的規(guī)模、節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本為準(zhǔn)則。
在當(dāng)前路塹邊坡工程設(shè)計(jì)中,通常采用放緩邊坡、抗滑樁支擋、錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索加固等方式[2-3]確保邊坡工程的穩(wěn)定性,“固腳強(qiáng)腰,兼顧整體與局部,順層邊坡分層加固”是邊坡加固設(shè)計(jì)的基本原則[4]。在當(dāng)前邊(滑)坡工程加固案例中,加固設(shè)計(jì)方案的確定通常依賴工程師的經(jīng)驗(yàn),在確保加固處理后邊坡的穩(wěn)定性滿足要求的前提下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較確定最終方案,如貓鼻子水庫(kù)右側(cè)庫(kù)岸古滑坡體的處置[5],巢黃高速公路填方路堤加固措施必選[6]、云南省江通高速某段路基邊坡滑移加固處置[7]等。通常情況下有豐富工程經(jīng)驗(yàn)的工程師能給出較經(jīng)濟(jì)合理的方案[8-9],但若缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的工程師如何開(kāi)展工程治理?能否探討一種理論方法,指導(dǎo)給出邊坡的優(yōu)化方案呢?這樣就可以更科學(xué)合理的設(shè)計(jì)加固方案,為缺乏工程經(jīng)驗(yàn)的工程師提供解決邊坡治理的辦法。本文討論一種依據(jù)邊坡應(yīng)力場(chǎng)確定加固方案的方法,為邊坡加固治理提供一種有據(jù)可依的理論方法。
應(yīng)力水平[10]是土體單元的主應(yīng)力差與極限強(qiáng)度的比值,該值能客觀地反映土體的受力狀態(tài),應(yīng)力水平越大,表示土體越接近極限破壞強(qiáng)度,因而應(yīng)力水平高的區(qū)域其自鎖能力越低,需要借助外力改善其應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力水平相對(duì)較低的區(qū)域,土體自身強(qiáng)度發(fā)揮尚不充分,有較大的安全儲(chǔ)備,對(duì)外力的依賴性較低。因而可以依據(jù)應(yīng)力水平分布特征對(duì)邊坡工程進(jìn)行分區(qū)[11],判斷是否需要加固。而穩(wěn)定性系數(shù)則表征坡體整體或局部的可靠程度,通過(guò)穩(wěn)定性系數(shù)可以判斷加固程度是否滿足工程要求。
基于上述分析,本文擬嘗試將應(yīng)力水平和穩(wěn)定性分析相結(jié)合綜合確定路塹邊坡的加固位置和加固規(guī)模,作為路塹邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并依托3個(gè)路塹邊坡工程實(shí)例,從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面驗(yàn)證該方法的合理性。本文所得結(jié)論即可為邊坡的初步設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),也可為經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化方案的校驗(yàn)提供理論依據(jù)。
極限強(qiáng)度代表了土體單元的最大抗剪能力,土體剪應(yīng)力值越接近極限強(qiáng)度,表示其抗力發(fā)揮越充分,安全儲(chǔ)備越低,反之則表示其抗力發(fā)揮不充分,安全儲(chǔ)備較高,應(yīng)力水平可以表征抗力發(fā)揮程度。應(yīng)力水平是土體單元的主應(yīng)力差與極限強(qiáng)度的比值,取值介于0~1之間,數(shù)值越小,表征單元抗力安全儲(chǔ)備越高。因而通過(guò)邊坡的應(yīng)力水平分布特征可以判定土體單元接近屈服破壞的區(qū)域分布,通過(guò)在此區(qū)域施加錨桿或抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)提供外力,可以分擔(dān)該部分土體的受力,提高其抗力儲(chǔ)備。因而,基于應(yīng)力水平可以確定邊坡加固位置。基于摩爾-庫(kù)倫的應(yīng)力水平表達(dá)式為:
(1)
式中:
Sl——應(yīng)力水平;
σl、σ3——分別為元最大、最小主應(yīng)力;
c、φ——分別為巖土體強(qiáng)度參數(shù)的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。
放緩邊坡、增設(shè)錨桿(索)和抗滑樁等都是有效提高坡體穩(wěn)定性的手段。在路塹邊坡開(kāi)挖過(guò)程中是否需要設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)、在何處設(shè)置可通過(guò)應(yīng)力水平分布特征對(duì)邊坡進(jìn)行分區(qū)確定,但路塹邊坡開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定性變化特征,增設(shè)支擋后穩(wěn)定性是否滿足工程要求尚需通過(guò)穩(wěn)定性系數(shù)判定,因而采用穩(wěn)定性系數(shù)作為加固規(guī)模的衡量指標(biāo)是合理的。
路塹邊坡加固設(shè)計(jì)的理論方法正是將二者結(jié)合在一起綜合判定邊坡的加固位置和加固規(guī)模。這樣既可以避免枚舉確定加固位置的費(fèi)時(shí)費(fèi)力,又可以避免過(guò)度加固造成的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),還可以為經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化后的方案合理性提供理論支撐。
3.1.1工程概況
某坡體[12]右下方擬修建公路,坡體主要由全~中風(fēng)化泥巖構(gòu)成,坡體產(chǎn)狀268°∠65°,坡向167°,坡向與坡體產(chǎn)狀近于正交。技術(shù)人員擬采用1∶0.75~1∶1的坡率,并考慮到坡后自然地形較為平緩,故將二級(jí)平臺(tái)設(shè)置為6 m的寬大平臺(tái)以增大坡體中下部抗力作用。在此基礎(chǔ)上,基于“固腳強(qiáng)腰,分層加固的原則”對(duì)一、三級(jí)邊坡設(shè)置錨桿長(zhǎng)度為9 m的框架、二、四級(jí)邊坡設(shè)置錨索長(zhǎng)度為24 m的框架進(jìn)行加固(如圖1a所示)。

a 保守設(shè)計(jì)
因一、二級(jí)邊坡位于中風(fēng)化泥巖層,巖性較好,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析判定該設(shè)計(jì)方案偏于保守,依據(jù)構(gòu)成坡體的巖土體性質(zhì)和坡體結(jié)構(gòu),結(jié)合高邊坡“固腳強(qiáng)腰”的原則,建議維持坡率和第一級(jí)邊坡錨桿框架不變,將二級(jí)邊坡錨索更改為12 m長(zhǎng)錨桿,三級(jí)邊坡錨桿由9 m調(diào)整為12 m,從而達(dá)到“強(qiáng)腰”的目的,也有效保障寬大平臺(tái)以上部分邊坡的局部穩(wěn)定性。而四級(jí)邊坡長(zhǎng)錨索取消設(shè)置,采用三維網(wǎng)植草進(jìn)行綠化防護(hù),相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案如圖1b所示。
3.1.2計(jì)算模型
為從理論上分析保守設(shè)計(jì)方案“過(guò)于保守”,經(jīng)驗(yàn)方案更經(jīng)濟(jì)合理,并探索是否存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間,根據(jù)坡體幾何特征建立有限元模型,分析該邊坡在初始及逐步開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力水平分布特征及穩(wěn)定性變化規(guī)律,并比較分析兩種方案的經(jīng)濟(jì)性和合理性。所建數(shù)值模型如圖2所示,模型共包含8 326個(gè)節(jié)點(diǎn),3 821個(gè)單元。為得到較合理的應(yīng)力水平分布狀態(tài),此處采用變模量本構(gòu)模型[13-14]對(duì)邊坡的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行分析,穩(wěn)定性系數(shù)則通過(guò)整體強(qiáng)度折減法獲得,模擬加固時(shí)錨桿和錨索采用FLAC3D自帶的cable結(jié)構(gòu)單元模擬。該邊坡全~中風(fēng)化泥巖力學(xué)參數(shù)取值依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)[12]確定,取值見(jiàn)表1。

表1 全~中風(fēng)化泥巖巖土體力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 “大開(kāi)挖”實(shí)例數(shù)值模型示意
3.1.3錨固分析
邊坡初始及逐步開(kāi)挖過(guò)程中坡體應(yīng)力水平分布如圖3a~圖3f所示。

a 自然狀態(tài)
從圖3可以看出,自然狀態(tài)下應(yīng)力水平較高處集中在巖層分界面位置。隨著開(kāi)挖過(guò)程的推進(jìn),由于巖層分界處巖體逐步被移除,高應(yīng)力水平區(qū)域也逐漸減小,開(kāi)挖完成后(開(kāi)挖5對(duì)應(yīng)狀態(tài))各級(jí)邊坡的應(yīng)力水平均不高。第三、四級(jí)邊坡的應(yīng)力水平相對(duì)較高,其值在0.5~0.6左右,屬于中等應(yīng)力水平;其他區(qū)域應(yīng)力水平均在0.2~0.3左右,屬于低應(yīng)力水平區(qū)。
同時(shí)基于整體強(qiáng)度折減法分析了邊坡穩(wěn)定性隨開(kāi)挖過(guò)程的變化情況,結(jié)果整理如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定性隨開(kāi)挖進(jìn)程變化情況示意
由于巖性條件較好,自然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性為1.94,滿足邊坡安全性要求,隨著開(kāi)挖過(guò)程的推進(jìn),邊坡的潛在滑面位置逐步調(diào)整,相應(yīng)的整體穩(wěn)定性也逐步提高,尤其在挖除第三、四級(jí)邊坡時(shí)穩(wěn)定性提高明顯。
對(duì)于該邊坡,因開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定性系數(shù)較高,滿足工程穩(wěn)定性要求,且開(kāi)挖完成后各處應(yīng)力水平均不高,因而開(kāi)挖過(guò)程中可不采用工程措施對(duì)其加固。但為探索既經(jīng)濟(jì)又安全的優(yōu)化方案,基于圖3應(yīng)力水平分布特征,建議在第三、四級(jí)邊坡處施加3排9 m長(zhǎng)錨桿,其余位置不做加固處理,并將該加固方案與保守設(shè)計(jì)及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性做對(duì)比,其計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

a 保守設(shè)計(jì)
經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),采用不用的加固方案,潛在滑面的位置也不盡相同,保守設(shè)計(jì)和基于應(yīng)力水平設(shè)計(jì)方案因在第四級(jí)邊坡處設(shè)置了錨桿/索,因而不存在整體滑移風(fēng)險(xiǎn)。從穩(wěn)定性角度看,3種加固方案對(duì)邊坡的穩(wěn)定性均有提高作用,但就開(kāi)挖完成時(shí)的穩(wěn)定性而言,保守設(shè)計(jì)穩(wěn)定性提高15.3%,錨桿用量(用量均以單排計(jì),下同)54 m,錨索用量144 m;經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化方案穩(wěn)定性提高7.2%,錨桿用量99 m;建議優(yōu)化方案的穩(wěn)定性提高12.2%,錨桿用量54 m。從穩(wěn)定性來(lái)看,保守方案和建議方案穩(wěn)定性相近,經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化方案穩(wěn)定性略低,但從支擋結(jié)構(gòu)規(guī)模來(lái)看,保守方案>經(jīng)驗(yàn)方案>建議方案。所以,綜合比較,基于應(yīng)力水平確定加固位置,穩(wěn)定性確定加固規(guī)模支擋結(jié)構(gòu)往往能最大程度的發(fā)揮其抗力作用,既經(jīng)濟(jì)又可靠。
3.2.1工程概況
該坡體[16]主要由強(qiáng)~中風(fēng)化泥巖構(gòu)成,坡體產(chǎn)狀175°∠45°,坡向15°,坡向與坡體產(chǎn)狀近于反向。技術(shù)人員擬采用1∶0.75~1∶1.25的設(shè)計(jì)坡率,對(duì)一級(jí)邊坡設(shè)置錨桿長(zhǎng)度9 m的框架,二、三級(jí)邊坡設(shè)置錨索長(zhǎng)度為24 m的框架進(jìn)行加固(如圖6a所示)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定該坡率設(shè)計(jì)具有明顯的“剝山皮”現(xiàn)象,且加固工程明顯偏強(qiáng),建議保留一級(jí)邊坡錨桿長(zhǎng)為9 m的框架對(duì)高邊坡進(jìn)行“固腳”,擯棄“剝山皮”式坡率設(shè)置,改為以1∶0.75的坡率直接開(kāi)挖至坡頂,有效降低邊坡開(kāi)挖高度和開(kāi)挖量,并增設(shè)2排9 m長(zhǎng)錨桿(如圖6 b所示)。

a 保守設(shè)計(jì)
3.2.2計(jì)算模型
為從理論上對(duì)比分析兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣,校驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的合理性,分別建立了兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型(見(jiàn)圖7)。“剝山皮”式設(shè)計(jì)方案數(shù)值模型包含3 710個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 813個(gè)單元,經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)值模型包含3 624個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 761個(gè)單元。分析邊坡應(yīng)力分布特征隨開(kāi)挖進(jìn)程變化依然采用變模量本構(gòu)模型,穩(wěn)定性分析依然采用整體強(qiáng)度折減法。巖體力學(xué)參數(shù)取值同表1。

a “剝山皮”設(shè)計(jì)
3.2.3錨固分析
邊坡初始應(yīng)力分布、采用“剝山皮”式開(kāi)挖、經(jīng)驗(yàn)方案開(kāi)挖情況下應(yīng)力水平變化特征整理如圖8所示。由圖8可見(jiàn),自然狀態(tài)下高應(yīng)力水平區(qū)集中在強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖分界處,采用“剝山皮”式開(kāi)挖時(shí),隨著開(kāi)挖過(guò)程的推進(jìn),被挖除坡體下部對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平降低至0.5以下,其他巖層分界處的應(yīng)力水平仍較大;采用經(jīng)驗(yàn)方法開(kāi)挖完成時(shí)路基上部巖層分界處應(yīng)力水平降至0.5~0.65之間,屬中等應(yīng)力水平區(qū),略高于“剝山皮”式開(kāi)挖。

a 自然狀態(tài)
為了分析兩種加固方案對(duì)穩(wěn)定性的提高作用,采用整體強(qiáng)度折減法分析了保守設(shè)計(jì)開(kāi)挖不加固、開(kāi)挖加固、經(jīng)驗(yàn)方式開(kāi)挖加固3種工況下的穩(wěn)定性(如圖9所示)。

a 保守設(shè)計(jì)開(kāi)挖不加固
自然狀態(tài)下坡體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.91,采用“剝山皮”方式開(kāi)挖,開(kāi)挖量181.67 m3,在不加固的情況下坡體隨開(kāi)挖進(jìn)程穩(wěn)定性逐步提高,開(kāi)挖完成時(shí)穩(wěn)定性提高至2.10,采用錨桿和錨索加固其穩(wěn)定性提高至2.21,提高了5%,其中錨桿用量為27 m,錨索用量為144 m;采用經(jīng)驗(yàn)方式開(kāi)挖,開(kāi)挖量為108.62 m3,在開(kāi)挖完成不加固的情況下其穩(wěn)定性仍為1.91,采用錨桿鎖腳,其穩(wěn)定性提高至2.0,提高了4.7%,錨桿用量為45 m。從經(jīng)濟(jì)性角度,采用經(jīng)驗(yàn)方式開(kāi)挖量小,加固工程規(guī)模小,對(duì)坡體擾動(dòng)和造價(jià)均較低,因此推薦采用經(jīng)驗(yàn)方式開(kāi)挖加固。
3.3.1工程概況
該坡體①主要由強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖互層構(gòu)成,坡體產(chǎn)狀59°∠28°,坡向3°,為典型的順層邊坡。技術(shù)人員擬在坡腳設(shè)置2.0 m×3.0 m×22 m@5 m的普通抗滑樁,樁后邊坡設(shè)置1∶1的坡率,并依據(jù)“高邊坡固腳強(qiáng)腰,順層邊坡分層加固”的原則,在二級(jí)邊坡設(shè)置錨索長(zhǎng)為25~29 m的框架,三級(jí)邊坡設(shè)置長(zhǎng)12 m的錨桿(如圖10a所示)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷上述加固方案存在受力協(xié)調(diào)性欠缺的問(wèn)題:一級(jí)邊坡的普通抗滑樁為被動(dòng)受力體系,而二級(jí)邊坡的預(yù)應(yīng)力錨索則為主動(dòng)受力體系,這樣的設(shè)計(jì)極可能使二級(jí)邊坡錨索先行受力并超出極限破壞致使全部下滑力疊加在坡腳普通抗滑樁,因而建議將坡腳的普通抗滑樁更改為長(zhǎng)為17 m的錨索樁,確保受力體系的協(xié)調(diào)性,更改方案如圖10b所示。

a 保守設(shè)計(jì)
3.3.2計(jì)算模型
該邊坡初步設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的區(qū)別在于坡腳樁體的類別及長(zhǎng)度,坡率設(shè)置一致,因此采用相同的數(shù)值模型,模型包含4 078個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 986個(gè)單元(如圖11所示),樁體采用實(shí)體單元模擬,錨桿和錨索均采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬,分析應(yīng)力水平分布時(shí)仍采用變模量本構(gòu)模型,計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)采用整體強(qiáng)度折減法。巖土體力學(xué)參數(shù)取值同表1。

圖11 “錨索樁”實(shí)例數(shù)值模型示意
3.3.3錨固分析
該邊坡在自然狀態(tài)及分級(jí)開(kāi)挖不加固情況下的應(yīng)力水平分布特征如圖12所示。

a 自然狀態(tài)
可以看出,該邊坡在自然狀態(tài)下應(yīng)力水平較高處集中在邊坡中上部的全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖分界面和強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖分界面。隨著開(kāi)挖進(jìn)程的推進(jìn),被挖除部分相應(yīng)的應(yīng)力水平降低,但其上部坡體應(yīng)力水平并未降低,且應(yīng)力水平較高處在第二級(jí)邊坡坡腳處出露。從應(yīng)力水平角度分析,應(yīng)重點(diǎn)加固該部分區(qū)域。建議采用4排長(zhǎng)24 m的錨索穿過(guò)巖層分界面,防止邊坡從此處滑塌。采用整體強(qiáng)度折減法分析了邊坡逐級(jí)開(kāi)挖不加固、采用初步設(shè)計(jì)方案加固、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案加固及建議方案加固四種情況下邊坡的穩(wěn)定性和潛在滑面的變化過(guò)程(如圖13所示)。不同加固方案穩(wěn)定性的直觀對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖14所示。

a 開(kāi)挖不加固

圖14 不同加固方案穩(wěn)定性對(duì)比示意
在自然狀態(tài)下,該坡體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.38,不加固情況下邊坡的穩(wěn)定性逐步降低至1.34,潛在滑面自第二級(jí)邊坡坡腳處剪出,為確保路塹邊坡的安全,必須采取一定的加固措施。初步設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的區(qū)別在于第一級(jí)邊坡坡腳樁體的處理,對(duì)比圖13a、圖13b可以看出不同開(kāi)挖步,兩種方案對(duì)應(yīng)的潛在滑面一致,改為錨索樁后邊坡的穩(wěn)定性由1.47提高至1.48,對(duì)應(yīng)的錨桿(索)用量分別為123 m和148 m,從經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性考慮,兩方案差別不大。而采用建議方案加固,隨著開(kāi)挖進(jìn)程的推進(jìn),邊坡的穩(wěn)定性逐步增大至1.57,對(duì)應(yīng)的錨索用量為96 m。從經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性角度來(lái)看,建議方案的加固效果最好,工程規(guī)模最小穩(wěn)定性卻最好,優(yōu)于初步設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。
綜合以上分析,保守設(shè)計(jì)方案支擋結(jié)構(gòu)不能完全有效發(fā)揮其功能,通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)往往能對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,但方案的優(yōu)化對(duì)工程師的經(jīng)驗(yàn)性要求較高。通過(guò)應(yīng)力水平確定加固位置,結(jié)合穩(wěn)定性分析確定加固規(guī)模,通常能得到既經(jīng)濟(jì)又安全的設(shè)計(jì)方案。將應(yīng)力水平和穩(wěn)定性結(jié)合綜合確定邊坡的設(shè)計(jì)方案既可為工程的初步設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),同時(shí)也可為經(jīng)驗(yàn)方案的校核提供理論依據(jù)。
本文針對(duì)邊坡設(shè)計(jì)和加固方案的合理確定問(wèn)題,提出了基于應(yīng)力水平確定邊坡加固位置和方案的方法,依托3個(gè)路塹邊坡工程實(shí)例,闡述了該方法的應(yīng)用方式和效果,所得結(jié)論主要有:
1)基于應(yīng)力水平確定加固位置,結(jié)合穩(wěn)定性確定加固規(guī)模,往往能得到經(jīng)濟(jì)高效的加固方案,該方法可為合理確定邊坡加固方案提供科學(xué)的方法和依據(jù),方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),科學(xué)有效。
2)對(duì)于全~中風(fēng)化泥巖,在巖層分界面處應(yīng)力水平往往較高,若邊坡開(kāi)挖后有分界面自坡面出露,應(yīng)采用錨索穿過(guò)分界面加固高應(yīng)力水平的區(qū)域提高坡體的穩(wěn)定性,具有較好的效果。
3)對(duì)“剝山皮”式開(kāi)挖的計(jì)算分析表明,這種方案不僅增大了邊坡的高度,對(duì)邊坡的穩(wěn)定性也沒(méi)有幫助,是低效的處理方式,采用較陡的坡率挖除并進(jìn)行加固是更有效的方案。