路基高邊坡自適應(yīng)錨索支護(hù)效果及穩(wěn)定性研究

楊 猛，拾 亭

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

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，我國工程建設(shè)逐漸向中西部等地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜區(qū)域轉(zhuǎn)移，嚴(yán)峻的工程地質(zhì)條件對施工建設(shè)安全提出了更高的要求，其中邊坡災(zāi)害及治理是一項(xiàng)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(shè)項(xiàng)目大多面臨高陡坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)營的關(guān)鍵。對于最常見的公路邊坡，邊坡失穩(wěn)破壞不僅會(huì)中斷交通，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)危害生命財(cái)產(chǎn)安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

長期以來，相關(guān)研究人員對邊坡的失穩(wěn)和破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究，并結(jié)合理論分析和工程實(shí)際給出了相應(yīng)的工程防治措施，其中錨桿（索）是最常見的支護(hù)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(guān)，斷裂面形狀是計(jì)算失效時(shí)極限拉力的主要指標(biāo)。Moosavi 等[2]研究了預(yù)應(yīng)力錨索的失效模式，發(fā)現(xiàn)灌漿體和錨索的剪切應(yīng)變是影響預(yù)應(yīng)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(jìn)行了試驗(yàn)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(jī)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(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)了不同組合的預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿，采用有限元方法進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿的交錯(cuò)布置能夠達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的邊坡錨護(hù)效果，當(dāng)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(hù)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(bǔ)償法和復(fù)合桿元件法，以真實(shí)反映邊坡錨定巖體的實(shí)際安全行為。Shen 等[8]采用抗剪強(qiáng)度折減法對巖石邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了三維數(shù)值分析，研究了收斂準(zhǔn)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(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)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(guān)系。張利潔等[10]利用FLAC3D對某水電站邊坡巖體開挖過程進(jìn)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(yīng)力隨錨索剛度、巖土彈性模量和預(yù)應(yīng)力變化的變化趨勢。數(shù)值模擬分析表明，錨定剪應(yīng)力的分布對預(yù)應(yīng)力的影響最為敏感。韓愛民等[12]基于工程實(shí)例進(jìn)行了設(shè)計(jì)參數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力、錨固角、錨固距離均對支護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)力和支護(hù)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(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合工程實(shí)例，采用FLAC3D對路基高邊坡自適應(yīng)錨索的支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了邊坡支護(hù)前后的穩(wěn)定性，詳細(xì)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(hù)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(zhì)條件復(fù)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(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)調(diào)研，造成公路邊坡不穩(wěn)定的因素主要為水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、氣候及人類工程活動(dòng)等。

1.1 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件通常包括地下水的補(bǔ)給、徑流和排放。氣候條件和水文地質(zhì)情況決定了地下水的富集程度和存儲(chǔ)情況，同時(shí)地下水位會(huì)發(fā)生不同程度的周期性變化。地下水位增加不僅導(dǎo)致了邊坡下滑力增大，而且還會(huì)使結(jié)構(gòu)平面和弱巖層的抗剪強(qiáng)度降低，與此同時(shí)，孔隙水壓力也隨之增加，顯著降低邊坡滑面的有效應(yīng)力，降低滑面的抗滑力，進(jìn)而導(dǎo)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(hù)工程會(huì)由于其水文地質(zhì)條件的改善而得到有效的支護(hù)。

1.2 工程地質(zhì)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(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致邊坡頂部過度拉伸變形，產(chǎn)生裂縫。坡腳產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力過大時(shí)會(huì)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(shí)，地質(zhì)構(gòu)造與坡面的不良接觸也導(dǎo)致了邊坡的不穩(wěn)定。此外，地質(zhì)條件變化也會(huì)對邊坡的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響，不良地質(zhì)條件是滑坡失穩(wěn)的主要因素之一，妥善處理不良地質(zhì)條件是支護(hù)邊坡的重要手段。

1.3 氣候因素

全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣變化更加明顯，由此引發(fā)的滑坡災(zāi)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(yán)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(yīng)，一方面，增加了孔隙水壓力，降低了巖土強(qiáng)度；另一方面，減少了土壤顆粒間的摩擦，增加了邊坡的滑動(dòng)力，從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。

1.4 人類工程活動(dòng)的因素

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，工程建設(shè)活動(dòng)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(chǎn)生不利影響的人類活動(dòng)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(tái)寬度2 m。其中邊坡ZK93+680段是目前研究工作的主要重點(diǎn)。場地區(qū)域覆蓋著第四紀(jì)沖洪積粉質(zhì)黏土和二疊紀(jì)茂口組石灰?guī)r，場區(qū)附近有野馬川活動(dòng)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(jié)構(gòu)主要以層狀或塊狀結(jié)構(gòu)為主。

該邊坡于2010 年9 月開始進(jìn)行開挖，開挖后在臨空面上發(fā)現(xiàn)了部分溶洞，同時(shí)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(hù)設(shè)計(jì)

為保證邊坡的安全性和抗震要求，相關(guān)人員對該邊坡采用自適應(yīng)錨索進(jìn)行支護(hù)。自適應(yīng)錨索是一種壓力分散型錨索，在允許邊坡大變形的同時(shí)，可以保證錨索結(jié)構(gòu)不受破壞。本研究采用自適應(yīng)錨索對邊坡進(jìn)行支護(hù)處理，錨索的支護(hù)載荷范圍為1 400~1 638 kN。圖2 為ZK93+680 段支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

圖2 邊坡錨索支護(hù)方案

2.3 材料數(shù)值模型和參數(shù)的選擇

2.3.1 本構(gòu)模型

FLAC3D內(nèi)置了12 個(gè)本構(gòu)模型，其中，莫爾-庫侖模型是巖土工程中廣泛應(yīng)用的本構(gòu)模型，主要適用于在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞的巖土體。本文采用莫爾-庫侖模型對邊坡支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析，并假設(shè)邊坡材料滿足彈性塑性屈服準(zhǔn)則和相關(guān)的流動(dòng)規(guī)律。

2.3.2 相關(guān)參數(shù)

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

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

為使錨索能夠與巖土體較好的黏結(jié)和錨固，選取合適的灌漿材料至關(guān)重要，在邊坡支護(hù)時(shí)采用了M30型灌漿材料以達(dá)到支護(hù)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(yīng)錨索對邊坡進(jìn)行支護(hù)，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(jié)構(gòu)單元對錨索進(jìn)行模擬，錨索的計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 錨索力學(xué)參數(shù)

2.3.3 邊坡支護(hù)模型的建立

為便于數(shù)值計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況做出以下假定：①支護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面應(yīng)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(yīng)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(yīng)；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(jié)牢固，無相對滑動(dòng)。

該計(jì)算模型包括邊坡巖體、土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)平面應(yīng)變建立計(jì)算模型，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，錨索錨固區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)劃分相對密集，共劃分3 876 個(gè)網(wǎng)格。

該計(jì)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(dòng)鉸支撐。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

在采用錨索支護(hù)前后，均采用FLAC3D軟件對邊坡進(jìn)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(yīng)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(hù)前后邊坡的位移變化趨勢，將模型計(jì)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(hù)前邊坡的總位移等高線圖

圖4 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護(hù)后總位移等高線圖

圖5 所有錨索支護(hù)后的總位移等高線圖

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)開挖會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，邊坡在土體自重和側(cè)土壓力的影響下，表現(xiàn)出明顯向自由面滑動(dòng)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(jìn)行支護(hù)后，由于錨索的作用，邊坡頂部變形量減少，但中下部的滑動(dòng)趨勢仍然明顯。邊坡完全支護(hù)后的位移云圖（圖4）表明，邊坡的滑動(dòng)趨勢變小，邊坡頂部的和中下部的滑動(dòng)量較小，整個(gè)邊坡趨于穩(wěn)定。

3.1.2 邊坡水平位移

邊坡支護(hù)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(jìn)行支護(hù)時(shí)，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(hù)后，最大水平位移由邊坡邊緣向邊坡內(nèi)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(dá)到最小。

圖6 支護(hù)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(hù)后的水平位移等值線圖

圖8 所有錨索支護(hù)后的水平位移等值線圖

水平位移的減小趨勢證實(shí)了自適應(yīng)錨索在烏木鋪高邊坡支護(hù)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(shí)了錨索的聯(lián)合作用效果，驗(yàn)證了支護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)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(hù)后，沿邊坡上邊界和頂部的最大豎向位移減小。當(dāng)邊坡完全支護(hù)時(shí)，僅在下部存在豎向沉降。

圖9 支護(hù)前邊坡豎向位移等值線圖

圖10 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護(hù)后豎向位移等值線圖

圖11 所有錨索支護(hù)后豎向位移等值線圖

3.2 安全系數(shù)分析

為驗(yàn)證自適應(yīng)錨索支護(hù)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(hù)后，按不支護(hù)3 個(gè)階段計(jì)算安全系數(shù)，安全系數(shù)的結(jié)果匯總于表4。未進(jìn)行支護(hù)時(shí)的安全系數(shù)為1.06，在采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護(hù)后，邊坡安全系數(shù)增加到1.11。當(dāng)采用聯(lián)合錨索支護(hù)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(yīng)錨索分級支護(hù)對邊坡穩(wěn)定性存在影響，經(jīng)該支護(hù)方案支護(hù)后的邊坡穩(wěn)定。因此，可以驗(yàn)證自適應(yīng)錨索分級支護(hù)方法在烏木鋪高邊坡K93+680 段公路邊坡支護(hù)中是適用和可行的。同時(shí)，基于FLAC3D強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)更加科學(xué)合理，為準(zhǔn)確確定邊坡的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)提供了理論依據(jù)和數(shù)值參考。

圖12 支護(hù)前邊坡的安全系數(shù)

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

圖14 所有錨索支護(hù)后邊坡的安全系數(shù)

4 結(jié)論

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

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

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