路塹順層邊坡穩定性分析及支擋防護數值模擬研究*

陳權川 李 蘭 陳權益

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081;2.息烽縣農業農村局 貴陽 551100; 3.貴州師范大學材料與建筑工程學院 貴陽 550025)

隨著我國基礎設施建設的不斷完善,山區涌現了許多順層邊坡,順層邊坡由于本身的地質構造屬性,易沿層面發生滑動而形成滑坡災害[1-5]。順層滑坡往往具有難治理、破壞力驚人、危害性大等特點[6],針對該類邊坡的支擋防護問題,懸臂式抗滑樁、錨拉樁、預應力錨索等多種組合結構是常用的工程手段[7],對于需要垂直開挖的邊坡,通常會在最下一級設置懸臂式抗滑樁進行支擋[8]。公路邊坡往往開挖量較大,一般會結合抗滑樁、框架結構、錨索等共同參與支護。

目前,抗滑樁結合框架錨索等結構在高速公路高路塹路基中應用頗為廣泛,其基本理論主要建立在極限平衡和結構支擋上,鮮有考慮坡體的應力、應變并結合數值軟件輔以設計。

本文以某高速公路左側邊坡為例,從邊坡的穩定性出發,擬基于有限元軟件系統分析邊坡從開挖到支護全過程中的坡體位移、塑性區,以及抗滑樁的受力情況,有效模擬邊坡支護后的變形狀態與支擋防護效果,以期得到合適的防護方案。

1 工程概況

1.1 地質環境條件

擬建道路區域屬亞熱帶濕潤季風氣候,冬季受北部寒潮影響較弱,夏季受東南海洋季風氣候影響顯著,具有四季溫和、雨量豐富、熱量充足、日照率低、風力較弱及逆溫天多的特點。項目區地處低中山溶蝕、剝蝕地貌,原始地形起伏小,地面平均坡度5°～10°,局部超過25°,場區總體地勢為南高北低。區內最高點海拔高程1 342.80 m,最低點為場區北側,海拔高程1 294.00 m,相對高差48.80 m。

區內上覆第四系殘坡積(Qel+dl)碎石夾砂,黃褐色,硬塑狀,散體狀結構,碎石成分主要為白云巖碎石角礫,分布于地表;下伏基巖為二疊系上統棲霞-茅口組(P1q-m)灰白、淺灰色中厚層白云巖、黃褐色薄層泥巖,項目區內構造不發育,巖層單斜產出,產狀為332°∠38°;白云巖以塊狀結構為主,節理較發育,具方解石脈充填,見蜂窩狀溶孔,偶見鐵染,局部方解石呈層狀出現。巖石錘擊聲清脆,有回彈,較難擊碎。室內試驗中風化巖塊的單軸抗壓強度標準值frk=32.686 MPa,結構面結合一般,巖體較完整,巖體基本質量等級分類為III類;泥巖質地較軟,力學性質較差,受地質構造運動及長期風化作用影響,易發生軟化、泥化現象并使其呈土狀,隨之演變為泥化夾層控制性滑動面,典型工程橫斷面見圖1。

圖1 典型工程橫斷面

1.2 穩定性分析及支擋防護方案

邊坡開挖至擬建道路后,泥巖夾層出露,邊坡易沿泥巖層向下滑移,破壞模式為平面滑動,鑒于此,可根據GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》附錄A.0.2規定定量計算邊坡的穩定性系數,邊坡開挖后的穩定性狀態見圖2。如圖2所示,天然工況下,開挖完成后穩定性系數為0.92,即邊坡開挖后處于不穩定狀態,安全系數取1.25時,剩余下滑力為1 378 kN。

圖2 邊坡開挖后的穩定性狀態

考慮到順層滑坡一旦發生,后果嚴重,擬在坡腳設置2×3抗滑樁(全長16 m)支擋,懸臂8 m,并設置包樁墻,樁頂按1∶1放坡,設置框架錨索(3排錨索)。極限狀態下,邊坡穩定性系數為1.65,邊坡支護后,處于穩定狀態,邊坡支擋后的穩定性狀態見圖3。由于計算軟件設置的局限性,圖中白云巖圖例并未按巖層視傾角顯示(GEO5)。

圖3 邊坡支擋后的穩定性狀態

2 數值模型

2.1 模型尺寸及邊界條件

模型基于上述工程地質橫斷面建立二維平面模型,二維平面模型計算效率更高,且選取最不利斷面建立數值模型得出的結果更為保守,即更利于邊坡支擋成功。鑒于覆蓋層對邊坡整體穩定性及變形影響有限,忽略覆蓋層力學性質對邊坡的影響,將其簡化為強風化白云巖,考慮到邊坡穩定性主要受泥巖影響,對泥巖及邊坡開挖區設置網格尺寸為0.5 m,由于模型幾何尺寸較大、坡面起伏并非為規則曲線,為了便于計算,模型采用尺寸1～2.5 m漸變混合網格,對泥巖及開挖周圍進行局部加密,單元總數共計5 923,節點總數共計5 926,網格劃分見圖4。

圖4 網格劃分

模型邊界條件為:左、右側邊界約束水平位移,底部邊界約束水平和豎直位移,地表為自由邊界。

2.2 本構模型及材料參數

巖體服從摩爾-庫倫理想彈塑性本構,抗滑樁、框架錨索等視為彈性體,其中,抗滑樁、框架結構簡化為梁單元,錨索為植入式桁架,梁單元與巖土體之間采用共結點,即不考慮樁土接觸、樁間墻及自身的塑性破壞。特別地,抗滑樁考慮6 m樁間距的影響,即抗滑樁承受6 m范圍巖土體的下滑力。相關力學參數結合勘察報告《混凝土結構設計規范》《工程地質手冊》及相關文獻綜合確定,具體參數見表1。

表1 材料參數

3 結果分析

3.1 初始地應力平衡

天然山體在重力場作用下,具有一定的初始地應力,地應力也是地質體的重要力源,為更好地模擬山體開挖后應力場、位移場,考慮地應力的影響是非常有必要的,圖5為邊坡地應力平衡后的應力分布云圖,從圖中可以明顯看出,ZZ方向應力隨著深度的增加而逐漸遞增,符合地應力分布規律。

圖5 初始地應力平衡

3.2 位移分析

邊坡位移分布云圖見圖6。

圖6 邊坡位移分布云圖

由圖6a)可知,邊坡開挖第一級坡體后,僅強風化白云巖出露,強風化白云巖層面為硬性結構面,巖體力學性質較好,卸荷后僅發生一定彈性變形,錨索施加后,坡體向內變形,最大變形量為0.16 mm,這是由于錨索施加的反向預應力向內拉伸所致,由于預應力錨索錨固段嵌入中分化地層,對坡體內部變形有一定影響。由圖6b)可知,邊坡開挖第二級坡體后,泥巖夾層出露,極限平衡狀態下,邊坡穩定性系數為0.92,邊坡有向下滑移的趨勢,抗滑樁施加后,與預應力錨索共同約束坡體沿泥巖夾層滑動,抑制效果較好,此時邊坡最大變形量為0.642 mm。綜合邊坡的變形來看,框架錨索+抗滑樁在很大程度上限制了邊坡向臨空面變形,邊坡治理效果較好。

3.3 應力分析

對坡體應力分析可以明確預應力錨索、抗滑樁和巖體之間的相互作用關系,方便分析支護結構在順層巖質邊坡中承載機理。邊坡的應力分布云圖見圖7。

圖7 邊坡應力分布云圖

由圖7可見,第一步開挖時,坡體的最大應力集中分布在預應力錨索附近,說明預應力錨索在邊坡中產生了良好的反向約束力,第二步開挖后,泥巖夾層出露,邊坡出現向下滑移特征,此時預應力錨索與抗滑樁共同作用,抗滑樁嵌固端頂端出現新的應力集中,明顯改善了邊坡整體應力分布,即提高了上覆潛在滑體的穩定性。

3.4 塑性應變

塑性區分布和貫通情況可用以評判邊坡的穩定狀態,塑性區的分布面積越大,表明處于塑性屈服的潛在滑體區域越廣,其貫通情況可以初步判斷潛在滑體的潛在破壞面的分布情況和變形發展趨勢[9]。邊坡的塑性應變見圖8。由圖8可知,邊坡一步開挖并未有泥巖夾層出露,加之強風化白云巖良好的力學性質和預應力錨索加固,邊坡并未出現塑性區分布;第二步開挖后,泥巖夾層有出露,坡體有順層滑移的跡象,由于抗滑樁的約束作用,阻斷了坡體向下滑移,即抗滑樁對坡體產生了良好的抑制作用,使得塑性區并未貫通,整體上提高了邊坡開挖后的穩定性。

圖8 邊坡應力分布云圖

3.5 抗滑樁受力分析

圖9為抗滑樁的樁身內力。

圖9 抗滑樁樁身內力分布

由圖9可見,抗滑樁受力模式為以彎曲變形為主,且剪力主要集中在潛在滑面處(泥巖夾層),抗滑樁具有良好的側向剛度,可以很好地抵抗坡體變形。抗滑樁最大彎矩位于潛在滑面下側不遠處,彎矩值為4 687.94 kN·m,最大剪力位于潛在滑面處,剪力值為4 476.98 kN。

3.6 邊坡支護后的穩定性

為了分析邊坡支護后的穩定狀態,基于強度折減原理對支護后的邊坡進行數值計算,圖10為邊坡支護后的塑性應變。

圖10 邊坡支護后的塑性應變

由圖10可知,邊坡第一步開挖時,當折減系數為2.65時,邊坡達到臨界狀態[10],此時邊坡呈現圓滑滑動趨勢,即邊坡第二級支護后的穩定性系數為2.65;邊坡第二步開挖時,當折減系數為1.67時,邊坡達到臨界狀態,此時邊坡上部沿泥巖夾層滑動,下部在支擋結構上部原巖坡體中圓弧剪出,即邊坡第二級支護后的穩定性系數為1.67,結果與極限平衡條件下穩定性基本一致。

4 工程應用情況

邊坡目前已經修建完成,邊坡竣工后的運營現狀見圖11,通過施工及運營期間的連續觀測,發現坡體變形量在規范允許范圍內,且趨于長期穩定狀態。說明本工點采用的支擋防護方案合理有效,支護效果良好,可為類似的工點提供借鑒。

圖11 邊坡竣工后的運營現狀

5 結論

本文基于有限元軟件對含泥巖夾層白云巖路塹順層邊坡進行了數值仿真分析,探討了邊坡開挖及支擋防護后的坡體變形特征、應力狀態、塑性區分布、抗滑樁受力特性,以及邊坡加固后的穩定性狀態,并結合運營期間的觀測結果,得到如下結論。

1) 對于研究邊坡,開挖至路基標高后,泥巖夾層出露,其破壞模式為平面滑動,極限平衡下邊坡穩定性系數為0.92,處于不穩定狀態,需做進一步支擋。

2) 邊坡開挖后預應力錨索在坡體表面發生顯著應力集中,即產生了良好的反向約束力,明顯改善了坡體內部應力分布。坡底施加抗滑樁后與預應力錨索共同約束坡體,防止其沿泥巖夾層滑動,起到了良好的阻隔作用,二者相結合后固腳強腰效果良好,確保了邊坡的整體穩定和局部穩定。

3) 對于本工點邊坡,經施工與長期運營觀測,采用抗滑樁+框架錨索等多種支護結構綜合治理具有良好的支擋防護效果,支護后的邊坡安全系數為1.67,邊坡安全儲備較高。