紅黏土邊坡防護技術(shù)研究

張穎，陳開圣，王磊，蔣洪，蔣浩

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.中國建筑第四工程局有限公司 工程技術(shù)研究院（技術(shù)中心）， 廣東 廣州 510665)

0 引言

傳統(tǒng)的邊坡破壞形式為圓弧滑動破壞，但紅黏土邊坡的破壞形式不同于傳統(tǒng)邊坡破壞形式[1]，所以按照規(guī)范設(shè)計的紅黏土邊坡，有的在早期運營階段，甚至施工階段就出現(xiàn)了破壞。所以對于紅黏土邊坡的防護方案不同于傳統(tǒng)，應(yīng)該被提出來具體研究。對于同一邊坡，一般有多種方案，但在技術(shù)、環(huán)境、造價方面有很大的差別，本文通過數(shù)值模擬計算錨索抗滑樁、錨桿擋土墻、錨索框架梁、錨索框架梁+擋土墻 4種防護措施下紅黏土邊坡經(jīng)歷降雨后的安全系數(shù)，以及各防護方案下的工程造價和對環(huán)境的影響，優(yōu)選出適宜紅黏土邊坡的防護措施。

1 Midas GTS NX簡介

Midas GTS NX是由邁達斯信息科技有限公司開發(fā)的一套針對巖土和橋隧專業(yè)的巖土數(shù)值模擬軟件[2]。邊坡穩(wěn)定分析就是通過計算分析邊坡內(nèi)部的剪切應(yīng)力和剪切強度來計算邊坡的穩(wěn)定性[3]。Midas GTS NX中邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法，將邊坡巖土體的強度參數(shù)不斷折減，直致邊坡達到破壞，計算出邊坡的滑動面和安全系數(shù)[4]。

2 參數(shù)確定

確定紅黏土的基本參數(shù)見表1。

表1 紅黏土基本物理參數(shù)

支護結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，錨桿采用 HRB335和HRB400型號規(guī)格鋼筋，錨索采用鋼絞線，擋土墻和抗滑樁、框架梁均采用C30混凝土材料，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線規(guī)范》以及《混土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表2。

表2 支護結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

3 貴陽市年降雨情況

貴陽市氣象資料顯示，當(dāng)?shù)亓路萁涤曜畲螅陆涤炅窟_到213.36 mm，如圖1所示，貴陽市2019年6月12日降雨量為54.3 mm，降雨時間為12 h，是最惡劣的情況。所以將模擬邊坡降雨量定為54.3 mm，即暴雨級別和降雨時間為12 h。在降雨狀況下模擬不同防護形式下的防護效果，使結(jié)果更具有代表性，更符合實際工程。

4 模型建立

圖1 貴陽市6月份日降雨時間及降雨量柱狀圖

擬定2級紅黏土邊坡，1級坡坡率1:1.5，2級坡坡率1∶1，坡高20 m。根據(jù)文獻[5]可知，當(dāng)坡腳右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的 2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為準(zhǔn)確[5]。按理論在CAD中畫出模型，然后利用Midas GTS NX導(dǎo)入DXF文件功能，自動生成邊坡外圍輪廓線，選取合適的材料參數(shù)，對土層和各支護結(jié)構(gòu)設(shè)置材料屬性，并采用三角形+四邊形單元劃分網(wǎng)格。巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型計算，支護結(jié)構(gòu)采用彈性模型，邊界條件固定前后左右和底部，并施加重力場和降雨邊界，建立幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型

5 結(jié)果分析

5.1 錨索抗滑樁

利用軟件中的錨建模助手在抗滑樁中植入錨索，錨索與抗滑樁的夾角為15°，長13 m，取錨固段為5 m，自由段8 m，錨索布設(shè)在距樁頂1 m處，設(shè)置直徑為0.025 m，預(yù)應(yīng)力為200 kN。錨索采用鋼絞線，建立模型如圖3所示。

計算結(jié)果顯示：在抗滑樁與錨索共同作用下，邊坡安全系數(shù)為 1.3，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。從圖4至圖6云圖可知，抗滑樁與錨索共同作用，邊坡基本穩(wěn)定，在錨索與抗滑樁共同加固下邊坡剪應(yīng)力較少，剪應(yīng)力在樁體周圍聚集，所以樁身阻礙了剪應(yīng)力等值線的延伸，這說明了抗滑樁能有效抵抗土體的剪應(yīng)力，但由于抗滑樁樁底需要深入坡底，所以會將樁上的剪應(yīng)力通過樁底傳遞到邊坡底部，導(dǎo)致樁底部的剪應(yīng)力增大，因而在樁底處剪應(yīng)力等值線出現(xiàn)了回折并形成類似小圓泡的凹槽現(xiàn)象。同時由于錨索的作用，邊坡上部的滑體能較好地保持穩(wěn)定，如圖6所示，塑性貫通區(qū)面積較小，但貫通區(qū)并未完全消失，仍然存在一定的安全隱患。

5.2 錨桿擋土墻

利用軟件模擬錨索加擋土墻共同支護邊坡，擋土墻支擋坡腳，錨桿錨固坡面，錨桿直徑0.025 m，長度13 m，錨固段5 m，設(shè)置200 kN的預(yù)應(yīng)力，墻體用C30混凝土，建立模型如圖7所示。

圖3 錨索抗滑樁模型

圖4 錨索抗滑樁位移云圖

圖5 錨索抗滑樁剪應(yīng)力云圖

圖6 錨索抗滑樁塑性區(qū)云圖

計算結(jié)果見圖8～圖10，由圖8～圖10可知：擋土墻與錨桿共同支護邊坡的安全系數(shù)為1.51，邊坡穩(wěn)定性較好。從位移來看，邊坡最大位移在55.7 mm左右。在擋土墻墻身處出現(xiàn)應(yīng)力集中，且在錨桿的端部出現(xiàn)了一些應(yīng)力圈，說明錨桿將預(yù)應(yīng)力傳遞到了周圍土體，產(chǎn)生了附加應(yīng)力，調(diào)整和改善土體內(nèi)部不利的應(yīng)力狀態(tài)，提高土體的強度和承載能力。同時擋土墻能抵抗墻后的土體壓力，防止邊坡下滑。由圖 10可知，塑性區(qū)未出現(xiàn)貫通，且均出現(xiàn)在錨桿后端，說明錨桿有效制約了結(jié)構(gòu)面發(fā)展，減少了邊坡整體位移。但在錨桿的端頭處出現(xiàn)了小面積的塑性區(qū)，這是錨桿施加的預(yù)應(yīng)力對表層土產(chǎn)生了壓應(yīng)力，導(dǎo)致了周圍土體變形。預(yù)應(yīng)力通過錨桿及周邊土體傳至邊坡內(nèi)部，增強了土體抗剪能力，有效提高了邊坡穩(wěn)定性。

圖7 錨桿擋土墻模型

圖8 錨桿擋土墻位移云圖

圖9 錨桿擋土墻剪應(yīng)力云圖

圖10 錨桿擋土墻塑性區(qū)云圖

5.3 錨索框架梁

框架梁采用植入式梁單元進行析取，截面為 3 m×3 m，錨索采用植入式桁架，與邊坡模型自動進行節(jié)點耦合，模型見圖11。

經(jīng)過數(shù)值計算得出錨索框架梁防護邊坡安全系數(shù)為1.6，邊坡穩(wěn)定。從圖12到圖14可以看出，用錨索框架梁加固后的邊坡最大位移為49 mm，相較于錨桿擋土墻加固的邊坡位移減小，剪應(yīng)力等值線稀疏。錨索支護處剪應(yīng)力等值線向下彎折，且塑性區(qū)出現(xiàn)在錨索錨固段后，說明錨索框架梁改變了坡內(nèi)的剪應(yīng)力分布，有效加固了坡體，提高了坡體的抗剪能力。由于在坡腳處沒有設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，在坡腳處出現(xiàn)了剪應(yīng)力集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致坡腳處極其容易發(fā)生破壞。塑性區(qū)面積較小，大部分都出現(xiàn)在坡面處，這是由于預(yù)應(yīng)力通過框架梁傳至土體，對土體產(chǎn)生了擠壓，導(dǎo)致邊坡表面土體產(chǎn)生變形。整體上錨索框架梁防護使土體整體性增強，提高了土體抗剪能力。

圖11 錨索框架梁模型

圖12 錨索框架梁位移云圖

圖14 錨索框架梁塑性區(qū)云圖

5.4 錨索框架梁+擋土墻

錨索框架梁+擋土墻模型見圖15所示。

計算結(jié)果見圖 16～圖 18，通過計算得出設(shè)置擋土墻與錨索框架支護梁后邊坡的安全系數(shù)為1.8，邊坡穩(wěn)定性高。錨索框架梁能夠有效抵抗邊坡下滑，從位移來看，邊坡最大位移24.9 mm左右，相較與前幾種支護方案位移明顯減少。應(yīng)力集中在擋土墻墻身處，擋土墻抵抗了墻后土體的壓力，防止邊坡向下滑出。剪應(yīng)力在錨索防護處向下彎折，塑性區(qū)出現(xiàn)在錨固區(qū)域后面，錨索使坡體形成整體，錨索將預(yù)應(yīng)力傳至深層穩(wěn)定土層，使坡體牢固，邊坡穩(wěn)定。由圖 18可知，塑性區(qū)面積極小，邊坡變形小，在錨索框架梁和擋土墻共同作用下，有效提高了邊坡的穩(wěn)定性。

從表3可看出，聯(lián)合支護的安全系數(shù)都較高，錨索框架梁，錨桿擋土墻，錨索框架梁+擋土墻，錨桿擋土墻均達到了《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50300-2013）中規(guī)定的永久性邊坡一般工況下邊坡安全系數(shù)須不小于1.35的要求。

圖15 錨索框架梁+擋土墻模型

圖16 錨索框架梁+擋土墻位移云圖

圖17 錨索框架梁+擋土墻剪應(yīng)力云圖

圖18 錨索框架梁+擋土墻塑性區(qū)云圖

表3 不同支護方案下的邊坡安全系數(shù)

6 造價分析

本文僅對防護工程進行計算，即防護工程所需費用進行計算。采用綜合單價法計算，計算依據(jù)的預(yù)算定額為《貴州省市政工程計價定額2016版》。

表4 各支護方式的造價/元

通過造價計算得出各防護工程造價，錨索框架梁+擋土墻＞錨索框架梁＞錨桿擋土墻＞錨索抗滑樁。

7 結(jié)論

綜合4種支護方式，從安全系數(shù)角度來看，錨索框架梁，錨索框架梁+擋土墻，錨桿擋土均達到規(guī)范要求，但是對于錨桿擋土墻來說，錨桿雖能改變邊坡內(nèi)部應(yīng)力重分布，增強坡體整體性，提高邊坡穩(wěn)定性，但坡體表面裸露較多，經(jīng)過雨水沖刷，長期風(fēng)化作用，邊坡表面土壤容易遭受侵蝕，造成水土流失，亦可能影響邊坡穩(wěn)定。錨索框架梁+擋土墻雖防護效果最佳，安全系數(shù)最高，但其工程造價最高，工期也較長，對環(huán)境的影響較大。而錨索框架梁支護，在框架梁中進行植被的栽種，由于框架梁呈網(wǎng)格狀排布在坡面，植被栽種在框架梁中，一定程度上框架梁能夠阻礙雨水的徑流，減少雨水對植被的沖刷，有利于植被生長，待后期植被扎根，不僅對坡面起到加固作用，還綠化公路周邊環(huán)境，減緩行車視覺疲勞。因此，綜合考慮選擇錨索框架梁并在框架梁中栽種植物作為紅黏土邊坡最佳防護方案。