抗滑樁錨桿組合支護結構在水利工程邊坡治理中的應用

金軍華

(江蘇高盛建設工程有限公司,南京 210015)

0 引 言

針對特殊工況下工程邊坡的治理要求越來越高,單一支護結構治理邊坡的效果往往與預期相差較大,而錨桿框架梁+抗滑樁組合支護結構具有多種支護結構的特點,既具有錨桿的特性,又能利用框架梁充分發揮錨桿的整體作用,還能發揮抗滑樁很好阻斷滑動面的特點。為此,許多學者對組合支護結構治理邊坡進行了相關研究。李綿祿[1]結合實際邊坡治理工程,利用強度折減法,對實例邊坡經錨桿-抗滑樁聯合支護后的穩定性進行了分析,結果表明,錨桿-抗滑樁聯合支護對邊坡的水平位移與總位移的限制效果顯著,但施工因素會使邊坡豎向位移增大。朱彥鵬等[2]將理論推導與數值模擬技術相結合,對框架預應力錨桿支護邊坡穩定性極限進行了研究,結果表明,采用極限分析上限法求得的邊坡安全系數,與有限差分法、極限平衡法求解的安全系數吻合程度較高。王江榮等[3]利用有限元軟件FLAC-3D,建立了暴雨與地震工況下格構錨桿加固邊坡的三維有限元模型,結果表明格構錨桿支護暴雨與地震工況下的邊坡效果顯著。

目前,多種組合支護結構研究中,包括錨桿+抗滑樁、框架預應力錨桿、抗滑樁+擋墻以及微型樁-連梁等組合結構,不同結構可根據實際工程情況進行選擇,使邊坡支護形式更合理。但針對暴雨工況下錨桿框架梁+抗滑樁支護結構治理邊坡的研究還比較少見。基于此,本文利用有限元軟件,結合水利邊坡治理工程,對暴雨工況下錨桿+抗滑樁支護結構支護邊坡的內力與穩定性進行研究,為類似邊坡治理提供參考。

1 工程地質概況

水利工程邊坡工程整體地勢呈西南向西北方向傾斜。地區地勢高低不平,地形錯綜復雜,可將其劃分為5個典型的丘陵沖積帶和峽谷區。該邊坡工程主要涉及的巖土體有3種,分別為表層的風化土、中層的強風化頁巖、底層的中風化頁巖。邊坡采用錨桿+抗滑樁支護結構,錨桿長度均為12m,錨桿的水平間距與豎向間距均為3m,預應力大小160kN,框架梁與抗滑樁均采用C30混凝土澆筑,框架橫梁與豎梁的截面尺寸均為350mm×350mm,抗滑樁長度15m,截面尺寸2m×3m,成孔方式為機械挖孔,采用HRB400強度等級的鋼筋。

2 邊坡有限元分析

2.1 模型的建立

本文有限元模型使用的是邊坡工程中常見的有限元分析軟件MIDAS GTS對其進行構建,該模型左高45m、右高24m、長72m,有限元模型圖見圖1。在本工程中,3類不同類型的巖石和土均采用摩爾-庫倫(M-C)本構,抗滑樁和框架梁均采用梁單元,錨桿則采用桁架模型。按物質與結果的關聯性程度,風化土、強風化頁巖、中風化頁巖的基本尺寸分別以1、1.5、2m為基礎,進行網格劃分。在不同屬性的子類物質之間,通過共享一個有限元結點,確保每一種物質的應力都是一致的和連續的。在網格劃分完畢之后,按照順序對靜水位線進行定義,對左右邊界和下邊界施加約束,對上邊界的表面流量-線流量進行施加,并對整個模型進行重力荷載的施加。設定相應的解析條件,并進行計算模擬[4]。

圖1 有限元模型圖

2.2 計算參數選取

根據該邊坡的地質地貌特征與水文地質情況,采用錨桿框架梁+抗滑樁支護結構治理該邊坡。錨桿的相關參數見表1;框架梁、抗滑樁以及巖土體物理力學參數見表2。

表1 錨桿相關各項參數

表2 框架梁、抗滑樁及巖土體物理力學參數

3 數值模擬結果分析

3.1 錨桿內力分析

錨桿的軸力圖見圖2。由圖2可知,在邊坡中,錨桿的軸力表現為自上而下遞增的形式。其中,自由段軸力大小在錨桿長度上基本一致,均比加載的預應力160kN要大,表明通過主動加載的方式對加固效果有較好的影響。這是由于該節段對周圍土壤沒有任何作用力,僅受到兩個端部錨的影響。錨桿截面的軸力表現為從端部向中間不斷增加,增加量不斷減少,在靠近自由截面處最大,與自由截面的軸力相近。這是因為錨桿端部區域與巖土體接觸較少,不能有效起到錨固的作用;接近錨桿自由段時,錨桿與周圍土體的完全錨固和對自由段軸力的牽引力共同影響下,使臨近的錨固段軸向壓力增加,此時就能完全發揮出錨桿錨固的效果[4]。

圖2 錨桿的軸力圖

3.2 抗滑樁內力分析

抗滑樁內力圖見圖3。由圖3(a)可知,錨桿框架梁+抗滑樁支護結構中,抗滑樁最大彎矩出現在樁身埋深9.3m處,最大彎矩為2.06MN·m;抗滑樁樁身彎矩大小整體上呈先增大后減小的趨勢,自樁頂至埋深9.3m區間,抗滑樁樁身彎矩的增長速度先增大后減小;靠近樁頂處相當一部分樁身彎矩較小,這與設置錨桿框架梁有關,分擔了該部分抗滑樁承受的推力;在潛在滑動面附近,抗滑樁樁身彎矩較大。

圖3 抗滑樁內力圖

由圖3(b)可知,錨桿框架梁+抗滑樁支護結構中,抗滑樁的最大正剪力出現在樁身埋深6.4m處,最大正剪力為0.42MN;最大負剪力出現在樁底處,最大負剪力為0.52MN。抗滑樁樁身剪力大小整體上呈先增大后減小再增大的趨勢,但兩次樁身剪力增大的過程存在差異,第二次抗滑樁樁身剪力的增長速度較第一次更快;在潛在滑動面附近,抗滑樁樁身剪力較小。

3.3 邊坡穩定性分析

3.3.1 天然狀態

邊坡天然狀態總位移與有效塑性應變云圖見圖4。由圖4可知,在天然狀態下,邊坡的位移比較大,最大位移為27mm,未達到規范規定的安全標準。邊坡發生明顯位移的區域以上部風化土區域為主,在坡腳處位移較大。在天然狀態下,邊坡上有較大的塑形變形,并且有較大的潛在滑動帶貫通。潛在滑動帶貫通是邊坡可能失穩的一種表現形式,天然狀態下,潛在滑動帶主要發育于風化土和強風化頁巖界面處。

圖4 邊坡天然狀態總位移與有效塑性應變云圖

3.3.2 支護狀態

不同工況下邊坡穩定安全系數與最大總位移見表3。由表3可知,在沒有支護的條件下,不論在天然工況下或在暴雨條件下,邊坡最大總位移均超過20mm,并且其穩定安全系數都很低,均低于規范安全要求。采用錨桿框架梁+抗滑樁支護后,邊坡在天然工況和暴雨狀態下,邊坡的穩定性得到顯著提高,邊坡的最大位移顯著減小,兩者都能達到安全要求。其中,在天然狀態下,采用錨桿框架梁+抗滑樁支護方式支護的邊坡穩定安全系數達到1.44、最大總位移6mm,與未支護相比分別提高29.7%和降低77.7%;在暴雨條件下,采用錨桿框架梁+抗滑樁支護方式加固的邊坡,其穩定性安全系數為1.36、整體最大總位移10mm,與未支護相比分別提高34.7%和降低了78.3%。

表3 不同工況下邊坡穩定安全系數與最大總位移

綜上所述,錨桿自由端段軸力延錨桿長度方向上相等,且自由段的軸力均大于所施加的預應力160kN,表明主動施加預應力有相當程度的作用;錨桿框架梁+抗滑樁支護結構中,抗滑樁的樁頂附近樁身內力較小,這是由于錨桿框架梁為抗滑樁分擔了一部分滑坡推力;采用錨桿框架梁+抗滑樁支護結構治理邊坡,無論是在天然狀態下或是暴雨工況下,邊坡的穩定安全系數均得到明顯提升,最大總位移得到明顯降低,治理效果顯著。

4 結 論

本文通過有限元軟件,對暴雨工況下錨桿框架梁+抗滑樁支護結構的內力與邊坡的穩定性進行了研究,結論如下:

1)錨桿自由端段軸力均大于所施加的預應力160kN,各處錨桿自由端軸力全長相等,表明對錨桿預應力控制有一定作用。

2)錨桿框架梁+抗滑樁支護結構中,錨桿框架梁為抗滑樁分擔了一部分滑坡推力,使抗滑樁的樁頂附近樁身內力較小。

3)采用錨桿框架梁+抗滑樁支護結構治理邊坡效果顯著,暴雨工況下穩定安全系數提升了34.7%,邊坡總位移降低78.3%。

4)本文僅對錨桿抗滑樁支護結構的內力與邊坡的穩定性進行分析,未考慮錨桿及抗滑樁的位移,得到的結論尚需進一步探究。