基于剩余推力法的南方某高速路邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算及加固方式探討

孫世國(guó),宋維琦,王子彪

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,北京 100041)

隨著高速路網(wǎng)的完善,山區(qū)高速公路增多,高速路邊坡穩(wěn)定性研究成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展,邊坡穩(wěn)定性從定性評(píng)價(jià)、半定量評(píng)價(jià)發(fā)展到現(xiàn)今的定量評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)范圍也從區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)發(fā)展到區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、單體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)并舉[1]。

近年來(lái)邊坡變形破壞過(guò)程的復(fù)雜性以及影響邊坡穩(wěn)定性因素的不確定性,加上一些新學(xué)科、新理論的引入和交叉,逐步形成了一些邊坡穩(wěn)定性分析的新方法,比如模糊數(shù)學(xué)分析法,灰色系統(tǒng)分析法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等,在工程實(shí)踐中,傳統(tǒng)的極限平衡法原理簡(jiǎn)單,其精度可以滿足大多數(shù)工程的需要,而且是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工程實(shí)踐被證明了的有效的計(jì)算方法因而被廣泛使用。剩余推力法是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的方法之一,是我國(guó)水利、交通和鐵道部門(mén)在核算滑坡穩(wěn)定時(shí)普遍使用該方法。其優(yōu)點(diǎn)是借助于滑坡構(gòu)造特征分析及剩余推力計(jì)算,可以獲得任意形狀滑動(dòng)面在復(fù)雜荷載作用下的滑坡推力,計(jì)算方法簡(jiǎn)潔。錨索具有承載強(qiáng)度高、預(yù)應(yīng)力大、注漿方便、端錨與全長(zhǎng)錨固相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn),能加固巖土體,限制其變形,改善巖土體的力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力狀態(tài),適用于復(fù)雜條件礦井、水電站、公路、鐵路、以及其他災(zāi)害邊坡等工程的加固治理[2,3]。

本文主要考慮極限狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性情況,基于剩余推力法獲得的滑動(dòng)面和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的邊坡加固措施,對(duì)穩(wěn)定性差的邊坡分別進(jìn)行普通錨索、盤(pán)式錨索、減載及其組合方式加固,并計(jì)算對(duì)應(yīng)造價(jià),得到最優(yōu)方案。

1 邊坡概況及地質(zhì)特征

據(jù)野外調(diào)查及鉆孔結(jié)果,建立了如下地質(zhì)地層的模型,覆蓋層為可塑狀粉質(zhì)粘土,約2.5m厚,容重γ為17kN/m3,摩擦角φ為7°,粘聚力c為15kPa；下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)風(fēng)化層厚7m～8m,容重γ為20kN/m3,摩擦角φ為14°,粘聚力c為0-6kPa,中風(fēng)化巖層較穩(wěn)定,容重γ為22kN/m3,摩擦角φ為35°,粘聚力c為40kPa。

2 穩(wěn)定性分析及加固

為便于比較分析,本次研究普通錨索均采用1x7標(biāo)準(zhǔn)型、直徑21.6mm、公稱抗拉強(qiáng)度f(wàn)ptk為1860MPa,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy為1260MPa,每根鋼絞線極限張拉荷載為504kN,屈服張拉荷載為454kN,設(shè)計(jì)鉆孔直徑取160mm,錨盤(pán)安裝擴(kuò)孔尺寸為260mmx180mm。

錨固力設(shè)計(jì)值根據(jù)剩余推力法計(jì)算腳本執(zhí)行,計(jì)算時(shí)控制安全系數(shù)為1.35,根據(jù)GeoSlope計(jì)算得到的滑面和劃分的條塊信息計(jì)算剩余推力值。使用Geoslope軟件,建立邊坡幾何模型如圖1所示,采用Bishop法、Janbu法、M-P法和剩余推力法對(duì)邊坡天然條件下的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算得出該邊坡Bishop安全系數(shù)為0.275,Janbu安全系數(shù)為0.266,M-P安全系數(shù)為0.271,剩余推力法安全系數(shù)為0.54。根據(jù)最新《建筑邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50330-2013)要求,對(duì)于永久邊坡類(lèi)型的一級(jí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值應(yīng)達(dá)到1.35以上,因此,設(shè)計(jì)時(shí)盡量控制安全系數(shù)在規(guī)定值以上。根據(jù)條塊間推力大小,加固優(yōu)化可在8～32條塊間設(shè)置錨索以提高邊坡的穩(wěn)定性(圖1)。

圖1 邊坡幾何模型圖

2.1 普通錨索加固

根據(jù)錨索設(shè)計(jì)規(guī)范和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行錨索設(shè)計(jì)：錨索軸向拉力設(shè)計(jì)值：剩余推力計(jì)算結(jié)果為928.157kN,滑面傾角10.793°,取錨索傾角為20°,則錨索軸向拉力設(shè)計(jì)值Na=1.3*928.157*cos10.793/cos20=1261.33kN。

錨索鋼絞線最小截面面積：As=1.0*1261.33/(0.69*1260*103)=1451mm2;錨索鋼絞線數(shù)量：n=1451*10-6/(π*0.02162/4)=3.96,取n=4;錨索布置和單孔錨固力設(shè)計(jì)值：設(shè)計(jì)錨索水平間距2.5m,垂直間距5m,共9排,取錨索安全系數(shù)為2.2,Pt1=1261.33*2.5/9=350.37kN;錨固體設(shè)計(jì)：按水泥砂漿與錨索張拉鋼材粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算錨固段長(zhǎng)度為L(zhǎng)g=2.2*350.37/(0.6*4*3.14*0.0216*3400)=1.39m,按錨固體與孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度確定錨固段長(zhǎng)度為L(zhǎng)r=2.2*350.37/(3.14*0.16*450)=3.41m,由《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,錨固長(zhǎng)度取Lg與Lr中較大值,不小于3m,不大于10m,且不超過(guò)7.2m,因此,該處取錨固段長(zhǎng)度4m。

加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.145,Janbu的安全系數(shù)為1.115,M-P的安全系數(shù)為1.142,加固后安全系數(shù)均未達(dá)到1.35以上,不符合要求。

2.2 盤(pán)式錨索加固

盤(pán)式錨索對(duì)比普通錨索的優(yōu)勢(shì)在于同樣型號(hào)的材料設(shè)置下,實(shí)驗(yàn)表明盤(pán)式錨索的承載力接近普通錨索的2倍。加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.489,Janbu的安全系數(shù)為1.394,M-P的安全系數(shù)為1.489,符合要求。

2.3 減載措施

減載措施主要綜合考慮極限狀態(tài)與局部危險(xiǎn)狀態(tài)滑動(dòng)面位置和形狀,適當(dāng)設(shè)置平臺(tái)和削坡方案。減載后,Bishop的安全系數(shù)為1.464,Janbu的安全系數(shù)為1.333,M-P的安全系數(shù)為1.463,符合要求。

2.4 加固與減載結(jié)合

普通錨索加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.486,Janbu的安全系數(shù)為1.396,M-P的安全系數(shù)為1.487,符合要求。盤(pán)式錨索加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.586,Janbu的安全系數(shù)為1.429,M-P的安全系數(shù)為1.581,符合要求。

3 工程總造價(jià)對(duì)比分析

采用廣聯(lián)達(dá)計(jì)價(jià)軟件GBQ4.0對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行單位工程預(yù)算分析,根據(jù)該省建設(shè)工程相關(guān)計(jì)價(jià)定額和清單工程算量規(guī)則以及最新材料價(jià)格信息,結(jié)合邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,分別計(jì)算出整體錨索加固、整體減載和加固與減載相結(jié)合的總造價(jià)清單計(jì)價(jià)表,計(jì)算該標(biāo)段邊坡加固工程總造價(jià),對(duì)比各加固方法總造價(jià)(表1)。

表1 工程總造價(jià)對(duì)比匯總

4 總結(jié)

剩余推力法計(jì)算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時(shí)未考慮水文條件,計(jì)算值偏大,植入錨索后對(duì)于受力分配問(wèn)題不能較好解決,因此還不能夠廣泛應(yīng)用[4]。

造價(jià)分析參考該省2004版定額庫(kù),介于市場(chǎng)價(jià)格信息搜集局限以及廢渣運(yùn)距統(tǒng)一為1km以內(nèi)問(wèn)題,部分人材機(jī)價(jià)格仍有待調(diào)整[5]。

計(jì)算結(jié)果表明減載措施相對(duì)于其它加固方法造價(jià)更低,一個(gè)原因是該方法廢渣運(yùn)距統(tǒng)一為1km以內(nèi),所得價(jià)總價(jià)偏于保守,另一個(gè)原因是計(jì)算時(shí)出于對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化層粘聚力的極限狀態(tài)考慮,大幅減小了該巖層力學(xué)參數(shù)粘聚力,導(dǎo)致部分錨索計(jì)算用量較保守,但實(shí)際穩(wěn)定性更好。結(jié)合加固效果、勞動(dòng)強(qiáng)度和工程造價(jià),推薦使用盤(pán)式錨索加局部減載的加固方法。

[1]丁參軍,張林洪,于國(guó)榮,等.邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].水電能源科學(xué),2011(08)．

[2]盧謹(jǐn)華,鄔星華,李樹(shù)亭,等.淺析贛定高速邊坡破壞類(lèi)型與治理方法[J].江西建材,2014(20)．

[3]王艷霞.模糊數(shù)學(xué)在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010(09)．

[4]熊海豐.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究[J].武漢理工大學(xué),2003(05)．

[5]王旭,劉東升,宋強(qiáng)輝,等.基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性可靠度分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2016(03)．