盧曉強

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展以及“交通強國”戰(zhàn)略的不斷推進,我國加快了西部地區(qū)的交通基礎設施建設,高速公路建設規(guī)模越來越大,覆蓋范圍越來越廣。由于我國地域遼闊、地形復雜、山地所占面積在國土總面積中的占比>67%,因此在高速公路的設計與施工過程中,對高速公路沿線邊坡進行穩(wěn)定性分析和支護結構設計至關重要。目前已有很多學者針對邊坡穩(wěn)定性以及邊坡支護方法進行了研究,并取得了大量的研究成果。常用的邊坡穩(wěn)定性方法主要包括極限平衡方法[1]和數值分析法[2]。其中,數值分析方法主要包括局部破壞判別法、有限元應力法以及強度折減法。陳祖煜、鄭穎人、連鎮(zhèn)營等[3-6]利用有限強度折減法對開挖邊坡穩(wěn)定性進行了較為全面的研究。葉帥華等[7]針對西部地區(qū)常見的二元結構深挖路塹邊坡的穩(wěn)定性進行研究,以某公路邊坡實際工程為例,利用有限元方法研究了不同巖土體力學參數下邊坡的穩(wěn)定性以及變形破壞特征。劉楊等[8]基于飽和-非飽和滲流理論,建立有限元數值模型,對不同降雨條件下邊坡的滲流過程進行了模擬,并利用強度折減法對降雨作用下的邊坡進行了穩(wěn)定性評價。邊坡支護形式主要包括起支擋作用的各類擋土墻、抗滑樁和起錨固作用的系統(tǒng)錨桿、預應力錨桿(索)等。在實際的支護結構設計中,通常采用支擋與錨固共同作用的結構類型,如錨拉樁、預應力錨索框格梁等。史彧等[9]依托某高速公路改擴建工程中的巖質邊坡支護工程,利用FLAC 3D軟件建立數值模型,研究了預應力錨索的長度、傾角和預應力大小對邊坡支護效果的影響。

本文以賀州至巴馬公路金秀連接線的某高邊坡支擋工程為例,利用Midas GTS軟件進行數值計算,分析該邊坡在錨桿格構梁與抗滑樁聯合支護下邊坡的穩(wěn)定性,并針對錨桿格構梁進行參數敏感性分析,討論不同的結構參數對邊坡支護效果的影響,以期為其他高邊坡支護結構設計提供參考。

1 數值模型的建立

1.1 Midas GTS簡介

有限元方法是目前應用廣泛的數值模擬方法之一,可將復雜幾何體的計算難度大大降低。目前應用廣泛的有限元軟件主要分為兩大類:通用有限元如ANSYS軟件、ABAQUS軟件等;應用于某些特定行業(yè)的專用有限元軟件,如專用于巖土工程領域的Midas GTS軟件等。本文將采取Midas GTS軟件進行建模計算。

Midas GTS(Geotechnical and Tune Analysis System)軟件作為巖土工程領域的大型有限元分析類軟件,可以很好地應用于路基、邊坡以及隧道等工程的數值仿真計算中。軟件可以提供大量巖土材料常用的本構模型,還可以進行包括動力場、滲流場等的多場耦合計算,同時軟件的交互性比其他軟件更好,操作較為簡便。

1.2 工程概況及支護設計方案

本文依托賀州至巴馬公路金秀連接線的某高邊坡支擋工程,該高邊坡擬采用抗滑樁與錨桿格構梁聯合支護。研究區(qū)內地形較為復雜,總體地勢呈現中部高南北低的特點。邊坡巖性組成自上而下分為粉質黏土、砂質黏性土、強風化砂巖、弱風化砂巖,其中粉質黏土因組成成分和含水率的不同,將其細分為粉質黏土a和粉質黏土b兩層。坡面呈現上緩下陡的特點,根據坡度不同可分為4段,坡度分別為10°、20°、13°、55°,對應的坡體垂直高度分別為2.25 m、4.00 m、0.95 m、9.50 m。該邊坡東部1.6 km處存在一條北東走向的活動斷裂,傾角為35°～40°。在邊坡附近無地表水的影響,同時地下水位埋藏較深,可忽略水對邊坡穩(wěn)定性的影響。

針對該邊坡采取錨桿格構梁與抗滑樁聯合支護方案,施工過程中邊開挖邊支護,支護后的邊坡由上部的傾斜坡面、下部的垂直坡面以及兩者間的平臺部分構成,總坡高約為23 m,其中上部的傾斜坡面的坡率為1∶1,平臺寬度為4 m。對上部傾斜坡面采取錨桿格構梁支護,格構梁的橫梁間距和縱梁間距均為2 m,錨桿設置在格構梁的橫梁與縱梁交叉的節(jié)點處,共設置了5排錨桿,其中第一排和第五排的錨桿長度為12 m,其余錨桿長度為15 m,角度取15°。對下部垂直坡面采取錨拉樁支護,樁間距為2.5 m,樁間設置擋土板,每根抗滑樁上設置4根預應力錨索,錨索之間的豎向距離為3 m。

1.3 數值模型的建立

利用Midas GTS軟件對支護后的邊坡建立計算模型并進行計算。在保證其符合工程實際情況的基礎上盡可能簡化其計算模型,建立計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型圖

如圖1所示,x軸方向上的計算長度為30 m,y軸方向上的計算長度為65 m。z軸方向上,邊坡背面一側的高度為40 m;另一側的高度為22.5 m。設置模型的邊界條件為:模型底部約束其x、y、z3個方向的位移,模型四周約束其法向位移,模型其余的臨空面設為自由邊界。

邊坡支護結構的本構關系選取為理想彈性模型,邊坡巖土體的本構關系選取為摩爾-庫侖模型。通過室內力學試驗,得到該模型的力學計算參數如表1、表2所示。

表1 巖體力學參數取值表

表2 邊坡支護結構力學參數取值表

2 數值模擬結果分析

根據Midas GTS軟件的計算結果,得到邊坡以及支護結構的應力與位移分布。

2.1 邊坡位移分析

根據數值計算結果,得到邊坡表面位移分布如圖2所示。

圖2 邊坡坡面水平位移曲線圖

由圖2可知,在邊坡上部斜坡段,坡表位移隨高程增大先增大后逐漸減小,最大位移出現在與平臺豎向垂直距離約1 m的位置,位移值為25 mm。在邊坡下部垂直坡段,從坡頂到第一根錨索位置的坡表位移隨高程增大先增大后減小,在第一根錨索位置以下的坡體,其坡表位移出現多次反復劇烈的增大和減小。其原因是在預應力錨索以及該部分坡體中存在的多個不同巖土體分界面產生的共同影響。

2.2 支護結構應力分析

根據數值計算結果,本節(jié)重點對錨桿軸力以及抗滑樁的彎矩進行分析,得到錨桿軸力如下頁圖3所示。

圖3 錨桿軸力變化曲線圖

由圖3可知,每排錨桿的軸力變化趨勢基本一致,均表現為自錨桿末端到錨桿與格構梁的連接處逐漸增大,在錨桿與格構梁的連接處達到最大軸力值。同時,坡體自上而下,錨桿的最大軸力表現為先增大后減小的趨勢,即第一排錨桿的最大軸力最小,為10.68 kN,第四排錨桿的最大軸力最大,為35.45 kN。

圖4所示為中間抗滑樁的彎矩沿樁身分布圖,樁身正彎矩主要出現在抗滑樁的錨固段,其中最大正彎矩出現在樁底位置,彎矩值為919.32 kN·m,分析其原因為抗滑樁樁端嵌固在高強度的弱風化砂巖中。樁身負彎矩主要出現在抗滑樁上部,其中最大負彎矩出現在抗滑樁與第四排預應力錨索相交的位置,彎矩值為1 000.01 kN·m。抗滑樁的樁身彎矩在與每根預應力錨索相交的位置均發(fā)生突變。

圖4 中間抗滑樁彎矩變化曲線圖

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡的安全系數是通過強度折減法得到的。強度折減法是在重力加速度不變的情況下,按照式(1)、式(2)的方式對巖土體的強度指標c、φ進行折減與更新,逐步降低巖土體的強度指標,通過多次迭代計算,求得邊坡巖土體臨界破壞狀態(tài)下的抗剪強度指標,此時得到的抗剪強度指標與巖土體實際的抗剪強度指標之間的比值,即為邊坡的安全系數Fs[10]。

(1)

(2)

通過強度折減法計算邊坡的安全系數,得到原始邊坡的安全系數為1.54,僅完成格構梁與錨桿支護的邊坡安全系數為1.88,完成全部支護后的邊坡的安全系數為1.92,說明錨桿格構梁與抗滑樁聯合支護方案對該邊坡的加固效果很明顯,在加固完成后邊坡的安全系數較原始邊坡提高了24.6%。

3 邊坡支護效果的影響因素研究

由前文可知,邊坡上部斜坡段的位移值明顯大于邊坡下部垂直坡段,說明邊坡上部的穩(wěn)定性較差,因此本節(jié)重點針對邊坡上部的錨桿格構梁支護結構,采取控制變量法,分析不同的格構梁截面尺寸、錨桿長度、錨桿安設角度對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 格構梁截面尺寸對邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究格構梁截面尺寸對邊坡穩(wěn)定性的影響,分別將格構梁的正方形截面邊長取為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m,建立數值模型進行計算,并求解不同工況下邊坡的安全系數。不同格構梁截面尺寸下的坡面位移和抗滑樁彎矩如圖5所示。

圖5 不同格構梁截面尺寸下的坡面位移和抗滑樁彎矩變化曲線圖

如圖5所示,在任意格構梁截面尺寸下,邊坡下部垂直段的水平位移最大值均大于邊坡上部斜坡段。隨著格構梁截面尺寸逐漸增大,抗滑樁最大彎矩表現出明顯的線性增大趨勢,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值逐漸增大,但增速較慢,邊坡下部垂直段的水平位移最大值基本不變,表明格構梁截面尺寸對抗滑樁最大彎矩的影響較大,對坡面位移的影響較小。

對不同工況下的邊坡求解安全系數,得到格構梁截面邊長為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m時對應的邊坡安全系數分別為1.65、1.80、1.92、1.93、1.91、1.88,即隨著格構梁截面的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高再降低,當格構梁截面邊長為0.40 m時,邊坡安全系數最大,邊坡的穩(wěn)定性最高。

3.2 錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性的影響,分別將錨桿長度取為6.0 m、9.0 m、12.0 m、15.0 m、18.0 m,建立數值模型進行計算,并求解不同工況下邊坡的安全系數。不同錨桿長度下的坡面位移和抗滑樁彎矩如圖6所示。

圖6 不同錨桿長度下的坡面位移和抗滑樁彎矩變化曲線圖

如圖6所示,抗滑樁最大彎矩隨著錨桿長度逐漸增大而增大,且當錨桿長度>9 m時,抗滑樁最大彎矩的增速明顯變大。隨著錨桿長度逐漸增大,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值呈現線性減小的趨勢,邊坡下部垂直段的水平位移最大值先增大再緩慢減小。

對不同工況下的邊坡求解安全系數,得到錨桿長度為6.0 m、9.0 m、12.0 m、15.0 m、18.0 m時對應的邊坡安全系數分別為1.11、1.27、1.92、1.91、1.92,即隨著錨桿長度的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高后保持穩(wěn)定。結合圖6所示,當錨桿長度<12 m時,坡面位移較大,抗滑樁彎矩較小,邊坡安全系數較低,故錨桿長度應≥12 m,同時為節(jié)約材料成本,錨桿長度應取為12 m。

3.3 錨桿安設角度對邊坡穩(wěn)定性的影響

為研究錨桿安設角度對邊坡穩(wěn)定性的影響,分別將錨桿安設角度取為5°、10°、15°、20°、25°、30°,建立數值模型進行計算,并求解不同工況下邊坡的安全系數。不同錨桿安設角度下的坡面位移和抗滑樁彎矩如圖7所示。

圖7 不同錨桿安設角度下的坡面位移和抗滑樁彎矩變化曲線圖

如圖7所示,隨著錨桿安設角度逐漸增大,抗滑樁最大彎矩先增大再減小,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值和下部垂直段的水平位移最大值均基本不變,表明錨桿安設角度對抗滑樁最大彎矩的影響較大,對坡面位移的影響較小。

對不同工況下的邊坡求解安全系數,得到錨桿安設角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°時對應的邊坡安全系數分別為1.91、1.98、1.92、1.86、1.70、1.22,即隨著錨桿安設角度的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高再降低,當錨桿安設角度為10°時邊坡的安全系數最大、穩(wěn)定性最高,當錨桿安設角度>25°時邊坡的安全系數迅速減小、穩(wěn)定性迅速降低。

4 結語

本文以賀州至巴馬公路金秀連接線的某高邊坡支擋工程為例,利用Midas GTS軟件進行數值計算,分析該邊坡在錨桿格構梁與抗滑樁聯合支護下邊坡的穩(wěn)定性,并針對錨桿格構梁進行參數敏感性分析,討論不同的結構參數對邊坡支護效果的影響。本文得到的主要結論如下:

(1)利用強度折減法計算邊坡的安全系數,得到原始邊坡的安全系數為1.54,僅完成格構梁與錨桿支護的邊坡的安全系數為1.88,完成全部支護后的邊坡安全系數為1.92,在加固完成后邊坡的安全系數較原始邊坡提高了24.6%,說明錨桿格構梁與抗滑樁聯合支護方案對該邊坡的加固效果很明顯。

(2)邊坡下部垂直段的水平位移最大值均大于邊坡上部斜坡段。格構梁截面尺寸對抗滑樁最大彎矩的影響較大,對坡面位移的影響較小,當格構梁截面邊長為0.40 m時,邊坡安全系數最大,邊坡的穩(wěn)定性最高。

(3)隨著錨桿長度逐漸增大,抗滑樁最大彎矩逐漸增大,邊坡上部斜坡段的水平位移最大值呈現線性減小的趨勢,邊坡下部垂直段的水平位移最大值先增大再緩慢減小。當錨桿長度<12 m時,坡面位移較大,抗滑樁彎矩較小,邊坡安全系數較低,故錨桿長度應≥12 m。

(4)錨桿安設角度對抗滑樁最大彎矩的影響較大,對坡面位移的影響較小。隨著錨桿安設角度的增大,邊坡穩(wěn)定性先升高再降低,當錨桿安設角度為10°時邊坡的安全系數最大、穩(wěn)定性最高,當錨桿安設角度>25°時邊坡的安全系數迅速減小、穩(wěn)定性迅速降低。