路基高邊坡自適應錨索支護效果及穩(wěn)定性研究

楊 猛，拾 亭

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122；2.浙江華東巖土勘察設計研究院有限公司，杭州 310030）

近年來，隨著經濟社會不斷發(fā)展，我國工程建設逐漸向中西部等地質環(huán)境復雜區(qū)域轉移，嚴峻的工程地質條件對施工建設安全提出了更高的要求，其中邊坡災害及治理是一項亟待考慮和解決的問題。高速公路、山嶺鐵道、水電站和礦山巷道等工程建設項目大多面臨高陡坡災害風險和治理難題，保證高陡邊坡的穩(wěn)定性是保證安全施工和長期運營的關鍵。對于最常見的公路邊坡，邊坡失穩(wěn)破壞不僅會中斷交通，嚴重時則會危害生命財產安全，造成巨大經濟損失。

長期以來，相關研究人員對邊坡的失穩(wěn)和破壞機理進行了大量的調查和研究，并結合理論分析和工程實際給出了相應的工程防治措施，其中錨桿（索）是最常見的支護方式之一。鄧宗偉等[1]指出，錨索的極限承載力與巖土體的類型、灌漿材料、斷裂面形狀等有關，斷裂面形狀是計算失效時極限拉力的主要指標。Moosavi 等[2]研究了預應力錨索的失效模式，發(fā)現(xiàn)灌漿體和錨索的剪切應變是影響預應力錨索失效模式的主要控制因素。Benmokrane 等[3]對壓縮式錨索的性能進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)壓力型錨索的工作性能優(yōu)于張力式錨索。Fuller 等[4]研究了錨索與灌漿體之間的載荷傳遞機理，給出了錨索與灌漿體之間的傳遞荷載隨位移的演化規(guī)律。

隨著計算機的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究邊坡穩(wěn)定性的一種成熟有效的方法。曾祥勇等[5]設計了不同組合的預應力錨索和錨桿，采用有限元方法進行仿真分析。結果表明，預應力錨索與錨桿的交錯布置能夠達到安全、經濟的邊坡錨護效果，當斜坡被錨定后，塑性區(qū)的分布明顯減少。吳禮舟等[6]采用有限差分軟件FLAC3D模擬錨架梁支護膨脹土路基邊坡，研究了錨架梁的長度、距離間隔、角度等主要參數(shù)對邊坡變形的影響。李寧等[7]考慮錨索剛度的影響，提出張力補償法和復合桿元件法，以真實反映邊坡錨定巖體的實際安全行為。Shen 等[8]采用抗剪強度折減法對巖石邊坡穩(wěn)定性進行了三維數(shù)值分析，研究了收斂準則和邊界條件對三維邊坡建模的影響。江文武等[9]采用FLAC3D對錨桿拉拔過程進行了數(shù)值模擬，結果表明，錨桿的錨固效果與錨固劑的摩擦角、黏聚力和有效約束壓力呈線性正比關系。張利潔等[10]利用FLAC3D對某水電站邊坡巖體開挖過程進行了三維彈塑性數(shù)值分析，討論了巖體開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響。李英勇等[11]采用FLAC3D研究了錨索剪應力隨錨索剛度、巖土彈性模量和預應力變化的變化趨勢。數(shù)值模擬分析表明，錨定剪應力的分布對預應力的影響最為敏感。韓愛民等[12]基于工程實例進行了設計參數(shù)轉換的數(shù)值模擬試驗，發(fā)現(xiàn)預應力、錨固角、錨固距離均對支護系統(tǒng)的內力和支護邊坡的壓縮變形存在顯著影響。

本文對路基高邊坡失穩(wěn)的主要因素進行了總結，并結合工程實例，采用FLAC3D對路基高邊坡自適應錨索的支護效果進行了數(shù)值模擬，研究了邊坡支護前后的穩(wěn)定性，詳細分析了邊坡變形以及水平和豎向位移的發(fā)展趨勢，并評估了路基高陡邊坡的支護效果，為相似工程提供了參考。

1 邊坡失穩(wěn)的主要因素

由于地質條件復雜，不同邊坡失穩(wěn)破壞的形式多種多樣，造成破壞的原因也各不相同。根據(jù)工程經驗和文獻調研，造成公路邊坡不穩(wěn)定的因素主要為水文地質條件、工程地質條件、氣候及人類工程活動等。

1.1 水文地質條件

水文地質條件通常包括地下水的補給、徑流和排放。氣候條件和水文地質情況決定了地下水的富集程度和存儲情況，同時地下水位會發(fā)生不同程度的周期性變化。地下水位增加不僅導致了邊坡下滑力增大，而且還會使結構平面和弱巖層的抗剪強度降低，與此同時，孔隙水壓力也隨之增加，顯著降低邊坡滑面的有效應力，降低滑面的抗滑力，進而導致邊坡失穩(wěn)。地下水位的變化是影響邊坡穩(wěn)定性變化的重要因素，許多邊坡支護工程會由于其水文地質條件的改善而得到有效的支護。

1.2 工程地質條件

邊坡的尺度、形狀、走向和傾角等地形地貌因素對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。邊坡不利的尺度和形狀往往在邊坡頂部產生較大的拉應力，導致邊坡頂部過度拉伸變形，產生裂縫。坡腳產生明顯的剪應力，剪應力過大時會發(fā)生剪切破壞，這些影響顯著降低了邊坡的穩(wěn)定性。同時，地質構造與坡面的不良接觸也導致了邊坡的不穩(wěn)定。此外，地質條件變化也會對邊坡的穩(wěn)定性造成嚴重的影響，不良地質條件是滑坡失穩(wěn)的主要因素之一，妥善處理不良地質條件是支護邊坡的重要手段。

1.3 氣候因素

全球氣候變暖導致極端天氣變化更加明顯，由此引發(fā)的滑坡災害頻率加劇、危害加重。其中，降雨對邊坡不穩(wěn)定性的影響最為嚴重。特別是在暴雨、長期降雨和融雪后，邊坡極易出現(xiàn)滑移、崩塌等不穩(wěn)定問題。大量降雨和融雪增加了地下水的供應，一方面，增加了孔隙水壓力，降低了巖土強度；另一方面，減少了土壤顆粒間的摩擦，增加了邊坡的滑動力，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。

1.4 人類工程活動的因素

隨著基礎設施建設的快速發(fā)展，工程建設活動對邊坡穩(wěn)定性的影響越來越直接和明顯。目前邊坡穩(wěn)定產生不利影響的人類活動主要包括切坡、坡頂加載及地下工程開挖等。

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

烏木鋪高邊坡位于貴州省畢威高速公路沿線ZK93+437 至ZK94+012 段，全長575 m，最大開挖高度125 m，邊坡比1∶0.3，平臺寬度2 m。其中邊坡ZK93+680段是目前研究工作的主要重點。場地區(qū)域覆蓋著第四紀沖洪積粉質黏土和二疊紀茂口組石灰?guī)r，場區(qū)附近有野馬川活動斷層，受斷層影響，烏木鋪高邊坡的節(jié)理和裂隙發(fā)育，巖體結構主要以層狀或塊狀結構為主。

該邊坡于2010 年9 月開始進行開挖，開挖后在臨空面上發(fā)現(xiàn)了部分溶洞，同時也揭露了大量的沿著邊坡形成了節(jié)理及裂縫。開挖使邊坡巖體相對破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡的穩(wěn)定性較差，如圖1 所示。

圖1 開挖后邊坡情況

2.2 邊坡支護設計

為保證邊坡的安全性和抗震要求，相關人員對該邊坡采用自適應錨索進行支護。自適應錨索是一種壓力分散型錨索，在允許邊坡大變形的同時，可以保證錨索結構不受破壞。本研究采用自適應錨索對邊坡進行支護處理，錨索的支護載荷范圍為1 400~1 638 kN。圖2 為ZK93+680 段支護設計方案。

圖2 邊坡錨索支護方案

2.3 材料數(shù)值模型和參數(shù)的選擇

2.3.1 本構模型

FLAC3D內置了12 個本構模型，其中，莫爾-庫侖模型是巖土工程中廣泛應用的本構模型，主要適用于在剪應力作用下產生破壞的巖土體。本文采用莫爾-庫侖模型對邊坡支護進行了數(shù)值模擬及分析，并假設邊坡材料滿足彈性塑性屈服準則和相關的流動規(guī)律。

2.3.2 相關參數(shù)

巖土體參數(shù)包括容重、內聚力和內摩擦角。其中，內聚力和內摩擦角是重要的抗滑參數(shù)，對數(shù)值模擬結果的影響較大。巖土體的物理力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場鉆孔剪切試驗和土工試驗來取值，巖土體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體的物理力學參數(shù)

為使錨索能夠與巖土體較好的黏結和錨固，選取合適的灌漿材料至關重要，在邊坡支護時采用了M30型灌漿材料以達到支護效果。FLAC3D數(shù)值模擬所需的灌漿基本參數(shù)見表2。

表2 注漿材料參數(shù)

本研究采用10 排自適應錨索對邊坡進行支護，錨索的最大長度為35 m，間距為4 m。錨固力的值范圍為1 400~1 638 kN，平均錨定長度為10 m，采用FLAC3D錨索結構單元對錨索進行模擬，錨索的計算參數(shù)見表3。

表3 錨索力學參數(shù)

2.3.3 邊坡支護模型的建立

為便于數(shù)值計算，根據(jù)實際情況做出以下假定：①支護結構是一個平面應變問題；②地下水位較低，因此在模擬中不考慮地下水的影響；③錨索應考慮沿軸向的拉力和壓縮力，但不考慮橫向剪切和彎曲效應；④錨索與周圍土壤完全接觸；⑤錨索和灌漿材料具有充分彈性，水泥漿與周圍土壤黏結牢固，無相對滑動。

該計算模型包括邊坡巖體、土體和支護結構，根據(jù)平面應變建立計算模型，為了保證計算的準確性，錨索錨固區(qū)域的網絡劃分相對密集，共劃分3 876 個網格。

該計算模型底面固定，采用固定鉸支撐，坡面與邊坡頂面為自由邊界，左右邊界采用滑動鉸支撐。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

在采用錨索支護前后，均采用FLAC3D軟件對邊坡進行模擬，將錨索的安裝力分為1 400、1 500 和1 600 kN 3 組，模擬其對邊坡穩(wěn)定性的相應影響。

3.1 邊坡的變形分析

3.1.1 邊坡總位移

在FLAC3D中，從總位移等高線圖3 中可以看出位移矢量和滑移后坡度的變形趨勢。為更直觀地反映支護前后邊坡的位移變化趨勢，將模型計算得到的邊坡變形放大50 倍，得到邊坡的變形特征如圖3 至圖5 所示。

圖3 支護前邊坡的總位移等高線圖

圖4 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后總位移等高線圖

圖5 所有錨索支護后的總位移等高線圖

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)開挖會影響邊坡的穩(wěn)定性，邊坡在土體自重和側土壓力的影響下，表現(xiàn)出明顯向自由面滑動的趨勢。位移范圍潛在滑體沿滑面方向大面積滑出，邊坡中下部位移最為顯著。

在采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索對邊坡進行支護后，由于錨索的作用，邊坡頂部變形量減少，但中下部的滑動趨勢仍然明顯。邊坡完全支護后的位移云圖（圖4）表明，邊坡的滑動趨勢變小，邊坡頂部的和中下部的滑動量較小，整個邊坡趨于穩(wěn)定。

3.1.2 邊坡水平位移

邊坡支護前后的水平位移等高線圖如圖6 至圖8所示。可以看出，未進行支護時，水平變形集中在邊坡的中間和頂部。采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后，最大水平位移由邊坡邊緣向邊坡內部逐漸減小。錨索全部安裝完畢后，水平位移明顯減小，水平位移從坡頂?shù)狡碌字饾u減小，最終達到最小。

圖6 支護前邊坡的水平位移等值線圖

圖7 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后的水平位移等值線圖

圖8 所有錨索支護后的水平位移等值線圖

水平位移的減小趨勢證實了自適應錨索在烏木鋪高邊坡支護過程中的適用性。此外，采用第一組錨索（1 400 kN 和1 500 kN）后，最大水平位移沒有明顯減小。但在安裝完所有錨索（1 400、1 500 和1 600 kN）后，水平位移大幅降低，證實了錨索的聯(lián)合作用效果，驗證了支護設計的可靠性。

3.1.3 邊坡豎向位移

豎向位移等高線圖如圖9 至圖11 所示。在邊坡支護前，坡體的豎向沉降主要集中在邊坡的中上部和邊坡的頂部。第一組錨索支護后，沿邊坡上邊界和頂部的最大豎向位移減小。當邊坡完全支護時，僅在下部存在豎向沉降。

圖9 支護前邊坡豎向位移等值線圖

圖10 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后豎向位移等值線圖

圖11 所有錨索支護后豎向位移等值線圖

3.2 安全系數(shù)分析

為驗證自適應錨索支護后邊坡的安全性和穩(wěn)定性，以及不同施工階段邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化和發(fā)展趨勢，采用FLAC3D程序“solve fos”命令解決邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。在第一組錨索和所有錨索支護后，按不支護3 個階段計算安全系數(shù)，安全系數(shù)的結果匯總于表4。未進行支護時的安全系數(shù)為1.06，在采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后，邊坡安全系數(shù)增加到1.11。當采用聯(lián)合錨索支護后，邊坡安全系數(shù)提高到1.29。

表4 邊坡的安全系數(shù)

圖12—圖14 表明，自適應錨索分級支護對邊坡穩(wěn)定性存在影響，經該支護方案支護后的邊坡穩(wěn)定。因此，可以驗證自適應錨索分級支護方法在烏木鋪高邊坡K93+680 段公路邊坡支護中是適用和可行的。同時，基于FLAC3D強度折減法的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)更加科學合理，為準確確定邊坡的實際應力狀態(tài)提供了理論依據(jù)和數(shù)值參考。

圖12 支護前邊坡的安全系數(shù)

圖13 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后邊坡的安全系數(shù)

圖14 所有錨索支護后邊坡的安全系數(shù)

4 結論

本文對路基高邊坡失穩(wěn)的主要因素進行了總結，并以烏木鋪高邊坡為研究對象，采用自適應錨索對其進行支護，為確定錨索分級支護的有效性，本研究采用有限差分法對邊坡支護的3 個階段進行了數(shù)值模擬，分析了邊坡支護前后的變形特征及邊坡穩(wěn)定性，主要結論如下。

1）在錨索的錨固作用下，邊坡的滑動趨勢變小，邊坡水平和豎向位移明顯減小，整個邊坡趨于穩(wěn)定。

2）自適應錨索支護方案支護后的邊坡變得更加穩(wěn)定。邊坡支護前的安全系數(shù)為1.06，采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后，邊坡安全系數(shù)增加到1.11，當采用聯(lián)合錨索支護后，邊坡安全系數(shù)提高到1.29。