某工程巖質(zhì)邊坡支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

楊湧濤

(山西交投高速公路有限公司 太原市 030006)

0 引言

工程邊坡的穩(wěn)定性對邊坡周邊村莊安全、環(huán)境生態(tài)都有著重要影響。對邊坡的治理主要有兩種方案，一種是通過減小不穩(wěn)定土體自重使邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的削坡法[1-2]；第二種就是利用相應(yīng)的材料與技術(shù)對邊坡進(jìn)行加固的方案，如設(shè)置擋土墻[3-4]、錨桿支護(hù)法等[5-7]，現(xiàn)如今錨桿支護(hù)在邊坡中的應(yīng)用已十分常見。

以某工程巖質(zhì)邊坡為研究對象，基于Midas/GTS有限元軟件研究了重力式擋墻法、全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)法以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)法三種方案下的邊坡穩(wěn)定性，選擇該工程邊坡最優(yōu)的支護(hù)方案。

1 工程概況

某工程巖質(zhì)邊坡，位于盆地丘陵、低山地區(qū)，山體植被發(fā)育，以松樹、灌木及蕨類植物為主，坡腳不遠(yuǎn)緊鄰村莊。邊坡高約15m，坡率為1∶1，坡體主要以石英巖夾板巖構(gòu)成，上層為強風(fēng)化的石灰?guī)r夾板巖、中部為中風(fēng)化的石灰?guī)r夾板巖，基層是弱風(fēng)化的石灰?guī)r夾板巖。邊坡斷面示意圖如圖1所示，具體巖體參數(shù)如表1所示。

2 邊坡初始狀態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 網(wǎng)格模型

利用Midas/GTS有限元軟件中邊坡穩(wěn)定性分析模塊(SRM)對邊坡的初始狀態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，建立網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 邊坡初始狀態(tài)斷面示意圖

表1 巖體參數(shù)表

圖2 邊坡初始狀態(tài)網(wǎng)格模型

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

(1)塑性區(qū)分布結(jié)果

輸出邊坡塑性區(qū)分布圖結(jié)果如圖3所示，由圖可以看出邊坡初始狀態(tài)下存在潛在的呈圓弧狀的表層滑動帶，整體塑性區(qū)分布面積較大，最大塑性應(yīng)變值為4.97×10-2，位于強風(fēng)化石灰?guī)r夾板巖層與中風(fēng)化石灰?guī)r夾板巖交界處。此時計算得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.08，存在失穩(wěn)風(fēng)險。

圖3 邊坡初始狀態(tài)塑性區(qū)分布圖

(2)水平位移分析結(jié)果

輸出邊坡水平位移結(jié)果如圖4所示。由圖可知該邊坡初始狀態(tài)下的水平位移最大值為42.02mm，且邊坡整體發(fā)生的水平位移都較大。

圖4 初始狀態(tài)水平位移結(jié)果圖

3 支護(hù)方案及結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出該邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險，對坡腳不遠(yuǎn)緊鄰的村莊存在安全隱患，因此根據(jù)邊坡情況制定了重力式擋墻法、全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)法以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)法3種支護(hù)方案。3種方案支護(hù)參數(shù)如表2所示，其中混凝土強度等級為C25。

表2 支護(hù)參數(shù)表

3.1 支護(hù)方案

3.1.1方案一：重力式擋墻法

重力式擋墻法是指依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力的擋土墻，可用塊石、片石、混凝土預(yù)制塊作為砌體，或采用片石混凝土、混凝土進(jìn)行整體澆筑。本方案采用素噴C25混凝土護(hù)面+8m高重力式擋墻進(jìn)行支擋，擋墻以C25混凝土整體澆筑。同時對墻頂土體以1∶1.25坡率放坡，重力式擋墻方案下邊坡斷面示意圖如圖5所示。

圖5 重力式擋墻法下邊坡斷面示意圖

3.1.2方案二：全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)

全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)是利用全長粘結(jié)性錨桿將潛在滑動體和穩(wěn)定的基巖形成一個整體受力基體，對土層進(jìn)行深層加固，提高邊坡巖土體的力學(xué)性能，控制邊坡變形[7]。此方案同樣采用3級放坡，每級放坡坡率1∶1，并預(yù)留1.5m寬馬道。坡面設(shè)置1.5×1.5m的C25混凝土格構(gòu)梁，錨桿布置在框架梁節(jié)點位置。錨桿長度L為14m，橫縱向間距均為1.5m，設(shè)計錨固角度為25°，全長粘結(jié)性錨桿支護(hù)邊坡斷面示意圖如圖6所示。

圖6 全長粘結(jié)性錨桿支護(hù)邊坡斷面示意圖

3.1.3方案三：預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)與普通錨桿支護(hù)的放坡參數(shù)一致，采用3級放坡，每級放坡坡率1∶1，并預(yù)留1.5m寬馬道。坡面設(shè)置1.5×1.5m的C25混凝土格構(gòu)梁，預(yù)應(yīng)力錨桿布置在框架梁節(jié)點位置。預(yù)應(yīng)力錨桿直徑為28mm，全長14m，錨固段為7m，橫縱向間距均為1.5m，設(shè)計錨固角度為25°，每孔設(shè)計施加350kN的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡斷面示意圖如圖7所示。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)邊坡斷面示意圖

3.2 網(wǎng)格模型

模型建立過程中錨桿采用植入式桁架單元來模擬，格構(gòu)梁采用梁單元來模擬，預(yù)應(yīng)力錨桿施加350kN預(yù)應(yīng)力。基于MIDAS/GTS軟件建立網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 支護(hù)方案邊坡網(wǎng)格模型

3.3 結(jié)果分析

輸出3種方案下邊坡的塑性區(qū)分布云圖如圖9所示。

圖9 支護(hù)方案下邊坡塑性區(qū)分布圖

分析圖9(a)可以看到，重力式擋墻方式的邊坡整體塑性區(qū)分布面積有所擴(kuò)大，但整體塑性應(yīng)變值有所減小，最大塑性應(yīng)變值為6.70×10-3，由圖9(b)、圖9(c)可以看到錨桿支護(hù)方案下邊坡的整體塑性區(qū)分布面積明顯減小，且不再呈現(xiàn)為明顯圓弧狀滑動帶，其中全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)方案下邊坡的最大塑性應(yīng)變值為1.07×10-3，位于二級邊坡坡腳處；預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案下邊坡的最大塑性應(yīng)變值為2.73×10-4，且不位于邊坡坡面。由此可見錨桿的存在能夠起到很好的抗滑性能，承擔(dān)邊坡的下滑力，邊坡整體塑性區(qū)分布面積及塑性應(yīng)變值都相應(yīng)減小，其中預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案減小的最為明顯。

輸出3種方案下的邊坡水平位移分布圖如圖10所示。

圖10 支護(hù)方案下邊坡水平位移圖

匯總3種方案下的邊坡最大水平位移值以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，如圖11所示。

圖11 三種方案下邊坡穩(wěn)定性對比

由圖11可以看出，初始狀態(tài)下邊坡的最大水平位移值為42.02mm，3種支護(hù)方案下的邊坡最大水平位移值都有所減小，其中重力式擋墻方案下邊坡最大水平位移值為25.40mm，相比初始狀態(tài)減小了16.14mm；而全長粘結(jié)型錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案下邊坡最大水平位移值分別減小至10.72mm、2.56mm，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案邊坡最大水平位移值減小的最明顯。再對比分析邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，由圖11可以看到初始狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.08，3種支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也都有所提高，其中削坡方案下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅提高至1.16，全長粘結(jié)型錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.36、1.58，錨桿支護(hù)對邊坡的整體穩(wěn)定性的提高非常明顯，且預(yù)應(yīng)力錨桿施作不同于全長粘結(jié)型錨桿的被動受力，施加預(yù)應(yīng)力下錨桿與坡面格構(gòu)梁給邊坡表層潛在滑動土體主動拉力，有效地減小了邊坡整體位移，對邊坡穩(wěn)定性的提高最為顯著。

4 結(jié)論

針對某工程巖質(zhì)邊坡，基于Midas/ GTS有限元軟件對比了重力式擋墻法、全長粘結(jié)型錨桿支護(hù)法以及預(yù)應(yīng)力錨桿法三種方案下相對初始狀態(tài)的邊坡穩(wěn)定性。得到了以下主要結(jié)論：

(1)初始狀態(tài)邊坡存在潛在的呈圓弧狀的表層滑動帶，位于上層強風(fēng)化石灰?guī)r夾板巖層。整體塑性區(qū)分布面積較大，最大塑性應(yīng)變值為4.97×10-2，位于強風(fēng)化石灰?guī)r夾板巖層與中風(fēng)化石灰?guī)r夾板巖交界處。三種支護(hù)方案下邊坡最大塑性應(yīng)變值分別減小為6.70×10-3、1.07×10-3、2.73×10-4，預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案對邊坡整體塑性區(qū)分布面積及塑性應(yīng)變值減小的最為明顯。

(2)初始狀態(tài)下邊坡的最大水平位移值為42.02mm，初始穩(wěn)定性系數(shù)為1.08；三種支護(hù)方案下邊坡最大水平位移分別減小為25.40mm、10.72mm、2.56mm，穩(wěn)定性系數(shù)分別增至1.16、1.36、1.58。結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案對邊坡整體穩(wěn)定性的提升最為明顯，因此方案三為該邊坡的最優(yōu)支護(hù)方案。