贛南高速公路邊坡玻璃鋼錨桿支護(hù)效果的數(shù)值模擬

余 科,簡文星, 樊友慶,牛國良

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000；3.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,江西 南昌 330000)

錨桿支護(hù)高速公路邊坡是一種既方便施工又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的邊坡加固手段，根據(jù)規(guī)范對開挖或填方邊坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)可以很好地滿足工程需要[1]。但在我國南方降雨較多或地下水豐富的地區(qū)，工程上常采用砂漿包裹鋼筋錨桿進(jìn)行支護(hù)處理，在長期支護(hù)過程中，坡體位移導(dǎo)致砂漿包裹體出現(xiàn)裂隙，進(jìn)而引起地下水對鋼筋桿體的腐蝕，鋼筋腐蝕軟化后提供坡體所需承載力下降，進(jìn)一步導(dǎo)致砂漿包裹體在坡體位移下破裂，最終造成砂漿包裹鋼筋錨桿失去錨固效果而引發(fā)工程事故[2-4]。針對此種情況，目前國內(nèi)外對耐腐蝕的玻璃鋼錨桿支護(hù)邊坡進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。如黃軍等[5]通過對玻璃鋼錨桿進(jìn)行拉伸和剪切性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：玻璃鋼錨桿抗拉強(qiáng)度介于HRB335與HRB400鋼筋之間，其破壞形態(tài)為脆性破壞，抗剪強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的1/3，整體性能良好，能滿足支護(hù)需要；崔宇鵬等[6]通過玻璃鋼錨桿與水泥砂漿室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，比較了同等直徑鋼筋錨桿與水泥砂漿的握裹力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：玻璃鋼錨桿與水泥砂漿的握裹力隨錨固深度的增加而增加，且全長錨固效果優(yōu)于端頭錨固，玻璃鋼錨桿與相同條件的鋼筋錨桿相比，握裹力相接近，能夠達(dá)到支護(hù)要求；李凱雷[7]通過試驗(yàn)對玻璃鋼錨桿桿體耐久性和桿體黏結(jié)耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明玻璃鋼錨桿具有良好的桿體耐久性和桿體黏結(jié)耐久性性能，能滿足邊坡錨固的設(shè)計(jì)要求。

通過前人的研究成果，可以得出玻璃鋼錨桿本身的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均滿足邊坡支護(hù)的要求，同時(shí)其與砂漿包裹體之間的握裹力也能夠達(dá)到工程需求，尤其在南方特殊的環(huán)境下，玻璃鋼錨桿體的耐腐蝕特性能有效避免邊坡在長期支護(hù)過程中，由于坡體位移造成的砂漿包裹體出現(xiàn)裂隙進(jìn)而導(dǎo)致的惡性循環(huán)。為了進(jìn)一步在降雨較多或地下水豐富的地區(qū)推廣使用玻璃鋼錨桿，有必要對其支護(hù)邊坡的防護(hù)效果進(jìn)行深入研究。為此，本文采用近些年來在巖土工程中廣泛使用的數(shù)值模擬方法[8]，以贛南安遠(yuǎn)—定南高速公路A2標(biāo)段山下深切邊坡為例，對玻璃鋼錨桿在高速公路邊坡的支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。

1 高速公路邊坡支護(hù)的數(shù)值模擬

1. 1 某山下深切邊坡工程地質(zhì)概況

某山下深切邊坡位于贛南安遠(yuǎn)—定南高速公路A2標(biāo)YK170+480～YK170+777右側(cè)，為六級開挖邊坡。該山下深切邊坡所處區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)降雨量充沛，河流眾多。該地區(qū)地貌屬低山丘陵地貌，地勢起伏較大，平均海拔高度約445 m。

圖1 某山下深切邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section diagram of a deep slope注：①含礫粉質(zhì)黏土；②強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖；③中風(fēng)化凝灰熔巖

該山下深切邊坡為巖土二元結(jié)構(gòu)邊坡，根據(jù)鉆孔(ZK3、ZK4)揭露，其從上往下巖土體可以分為：含礫粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖和中風(fēng)化凝灰熔巖(見圖1)。①含礫粉質(zhì)黏土：成分以黏粒為主，粉、砂粒次之，含礫石為25%，巖芯呈土柱狀、土狀；②強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖：巖體破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育；③中風(fēng)化凝灰熔巖：巖體較破碎-完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，敲擊聲脆，塊狀構(gòu)造。

該地區(qū)地下水主要為第四系潛水和裂隙水，一般與地表水貫通、互補(bǔ)，地下水位隨季節(jié)變化較大。鉆探揭露地下水埋深較深，對邊坡的穩(wěn)定性無明顯影響。

1. 2 邊坡數(shù)值模型的建立

采用Ansys軟件對該邊坡進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為優(yōu)化計(jì)算時(shí)間，邊坡整體網(wǎng)格劃分采用5 m單元格；由于需要重點(diǎn)分析錨桿支護(hù)情況下的應(yīng)力、應(yīng)變場，則對邊坡開挖一、二級進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，采用1 m單元格；整個(gè)邊坡共劃分為1 027個(gè)單元，2 168個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊坡建模約束條件為下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率(節(jié)點(diǎn)平均內(nèi)力與最大不平衡力的比值)[9]滿足10-5的求解要求。采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型計(jì)算邊坡整體受力狀況，并以計(jì)算是否收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。

對邊坡進(jìn)行錨桿支護(hù)模擬時(shí)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件中的Cable模塊對玻璃鋼錨桿的力學(xué)行為進(jìn)行模擬。Cable加固單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及水泥漿特性來定義。錨桿構(gòu)件假設(shè)為兩節(jié)點(diǎn)之間具有相同橫截面及材料參數(shù)的直線段，且為彈塑性材料，在拉、壓中屈服，不能抵抗彎矩。錨桿與水平面夾角為20°，以間距為3 m×3 m布設(shè)在邊坡開挖一、二級，錨孔徑150 mm。注漿采用C30水泥砂漿灌漿材料。該邊坡玻璃鋼錨桿支護(hù)的數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 某山下深切邊坡玻璃鋼錨桿支護(hù)的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of bolt support for a deep slope

1. 3 計(jì)算參數(shù)的選取

該邊坡中含礫粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)參數(shù)利用室內(nèi)三軸試驗(yàn)獲取[10]；強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖的物理力學(xué)參數(shù)取自本項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察報(bào)告[11]；巖土體的彈性模量和泊松比通過工程類比法[12]獲得。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 某山下深切邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

玻璃鋼錨桿的參數(shù)主要通過試驗(yàn)獲取。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，對直徑為25 mm、長度為55 cm的玻璃鋼錨桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)中玻璃鋼錨桿一端固定，另一端被施以3 kN/s加載速率進(jìn)行拉伸，直到錨桿拉拔破壞，從而確定玻璃鋼錨桿的彈性模量。試驗(yàn)得到的玻璃鋼錨桿的參數(shù)詳見表2。

表2 玻璃鋼錨桿的參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2. 1 邊坡剪應(yīng)力分析

該邊坡支護(hù)前后坡體最大剪應(yīng)力分布云圖見圖3和圖4。

圖3 邊坡支護(hù)前坡體最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.3 Max shear stress cloud map of the slope before supporting

圖4 邊坡支護(hù)后坡體最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.4 Max shear stress cloud map of the slope after supporting

由圖3可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)前，最大剪應(yīng)力成層均勻地向坡體深部過渡，在邊坡坡腳處較大剪應(yīng)力(136 kPa)等值線向較小剪應(yīng)力(68 kPa)等值線呈現(xiàn)局部匯聚的現(xiàn)象，表現(xiàn)為邊坡坡腳處剪應(yīng)力集中。

由圖4可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)后，玻璃鋼錨桿的錨固作用有效地減緩了邊坡坡腳處剪應(yīng)力局部集中的現(xiàn)象，且136 kPa等值線恢復(fù)了層狀趨勢，表明整體上提高了邊坡的穩(wěn)定性。

2. 2 邊坡剪應(yīng)變分析

該邊坡支護(hù)前后坡體最大剪應(yīng)變增量分布云圖見圖5和圖6。

圖5 邊坡支護(hù)前坡體最大剪應(yīng)變增量云圖Fig.5 Max shear strain increment cloud map of the slope before supporting

由圖5可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)前，由于坡體強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的物理力學(xué)性質(zhì)較差以及坡體高陡的地形，使坡體最大剪應(yīng)變增量(0.197)(見圖5中紅色區(qū)域)位于強(qiáng)風(fēng)化層，其埋深較深，且剪應(yīng)力集中在坡腳處，若坡體發(fā)生破壞，其對公路邊坡的危害極大。

圖6 邊坡支護(hù)后最大剪應(yīng)變增量分布云圖Fig.6 Max shear strain increment cloud map of the slope after supporting

由圖6可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)后，由于錨桿與坡體內(nèi)強(qiáng)、中風(fēng)化層巖土體形成組合梁受力形式，使坡體最大剪應(yīng)變增量(0.197)由圖5所在區(qū)域轉(zhuǎn)移至邊坡開挖三級坡口處(見圖6中紅色區(qū)域)，且最大剪應(yīng)變增量區(qū)域變小，有效降低了坡體破壞可能對公路邊坡造成的危害。

2. 3 邊坡塑性區(qū)分析

該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)前后坡體的塑性區(qū)分布云圖見圖7和圖8。

圖7 邊坡支護(hù)前坡體塑性區(qū)分布云圖Fig.7 Plastic zone of the slope before supporting

由圖7可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)前，在邊坡坡腳處以及坡體臨空面四周的圍巖均出現(xiàn)了塑性狀態(tài)(見圖7中紅色區(qū)域)，其中邊坡開挖一、二級處塑性區(qū)較大，其余次之，并向坡體深部有一定的延伸，總體上呈“條帶狀”分布；邊坡塑性區(qū)破壞形式以剪切破壞為主，坡體平臺區(qū)域有小范圍拉伸破壞。

圖8 邊坡支護(hù)后坡體塑性區(qū)分布云圖Fig.8 Plastic zone of the slope after supporting

由圖8可見，該邊坡采用玻璃鋼錨桿支護(hù)后，邊坡塑性區(qū)破壞形式同樣以剪切破壞為主，但坡腳處塑性區(qū)明顯變少(見圖8中紅色區(qū)域)，表明采用玻璃鋼錨桿支護(hù)后，玻璃鋼錨桿通過錨固劑與圍巖的相互作用，提高了圍巖強(qiáng)度，有效地改善了圍巖的塑性狀態(tài)。

2. 4 玻璃鋼錨桿受力分析

該邊坡中玻璃鋼錨桿的受力分布云圖見圖9。

圖9 邊坡中玻璃鋼錨桿的受力分布云圖Fig.9 Force analysis cloud map of GFRP bolts in the slope

由圖9可見，該邊坡坡腳處的2根玻璃鋼錨桿應(yīng)力較小，對錨固邊坡未發(fā)揮作用，其余6根玻璃鋼錨桿都發(fā)揮了作用，其中錨桿最大軸力達(dá)51 kN，大部分玻璃鋼錨桿承受拉力，且在粉質(zhì)黏土層與強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖層分界面處玻璃鋼錨桿所受的軸力最大。進(jìn)一步分析圖9可知，玻璃鋼錨桿在錨固邊坡中的受力并不是均勻的，而是遵循中間大、兩端小的分布規(guī)律。對于整個(gè)邊坡而言，邊坡二級上部錨桿的受力明顯大于邊坡一級上部錨桿的受力，且邊坡一級中錨桿的最大拉力為32 kN，約為錨桿承受最大拉力的60%，錨桿承受的軸力在邊坡潛在滑動面處達(dá)到最大值，在滑動面兩側(cè)則急劇減小，說明錨桿對滑動面起到了連接縫綴的作用；邊坡一級下部2根錨桿受軸向拉力較小，這是因?yàn)榇颂庍吰聻橹酗L(fēng)化層，巖體物理力學(xué)性質(zhì)較好，錨桿的加固效果不明顯；邊坡二級上部錨桿的受力較大，說明錨桿提高了土層的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，對防止邊坡下滑起到了積極的作用，表明玻璃鋼錨桿錨固邊坡以維護(hù)邊坡的穩(wěn)定是切實(shí)可行的。

3 結(jié) 論

本文以贛南安遠(yuǎn)—定南高速公路山下深切邊坡為例，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了邊坡支護(hù)前后數(shù)值模型，對玻璃鋼錨桿在該邊坡中的支護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對比分析了邊坡支護(hù)前后坡體應(yīng)力、應(yīng)變以及塑性區(qū)的變化情況，得出如下結(jié)論：

(1) 玻璃鋼錨桿在邊坡支護(hù)過程中，其受力承受范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其極限抗拉能力，說明采用玻璃鋼錨桿支護(hù)邊坡是可行的。

(2) 玻璃鋼錨桿在邊坡支護(hù)中起到的增韌止裂效應(yīng)以及與巖層結(jié)合形成的組合梁受力形式，能有效地減緩邊坡坡腳處剪應(yīng)力集中，并使?jié)撛诨瑒用嬖谄麦w內(nèi)上移，起到了穩(wěn)固邊坡的作用。

(3) 根據(jù)玻璃鋼錨桿受力分析可知，在邊坡一級下部的2根錨桿受力較小，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮省掉在中風(fēng)化層處的錨桿加固，以節(jié)約支護(hù)成本。