高速公路涉高壓電塔的邊坡穩(wěn)定性分析

郝鐘鈺

蘇交科集團(tuán)廣東檢測認(rèn)證有限公司 廣東 廣州 510800

1 概述

在國民經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)處于低水平的階段，涉電塔邊坡的穩(wěn)定性并不形成問題，因為高壓電塔一般設(shè)置在坡頂，邊坡周邊并不會被開挖擾動。但是，在我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展過程中，建設(shè)占用空間越來越大，建設(shè)用地越來越稀缺，很多地方不得不對山體進(jìn)行開挖，逐漸開始遇到此類特殊問題，并且越來越普遍。因此，進(jìn)入21世紀(jì)以后，此類問題的研究才慢慢多起來。

潘明波[1]（2016）提出了高壓電塔邊坡防護(hù)的必要性，并系統(tǒng)分析總結(jié)了現(xiàn)行的各種防護(hù)手段，用于指導(dǎo)此類工程建設(shè)；李三明等[2]（2017）進(jìn)行了龍巖高速某高壓電塔下邊坡的防護(hù)設(shè)計研究，在高壓電塔無法遷改且高速公路無法改道的情況下，只能對邊坡進(jìn)行加固，該工程采用錨索樁墻方案，施工完畢后進(jìn)行了位移監(jiān)測，表明此方案效果較好；傅國慶[3]（2019）運(yùn)用限差分析軟件FLAC3D對某涉高壓電塔邊坡開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析邊坡開挖施工過程中電塔基礎(chǔ)變形及受力特征，為本工程提供了前瞻性的指導(dǎo)作用，但未對邊坡加固后的工況進(jìn)行模擬分析研究。

綜上，隨著涉高壓電塔邊坡問題工程經(jīng)驗的積累，此類問題的治理手段越來越多樣化，但仍需繼續(xù)深入研究，取得最優(yōu)的解決方案[4-7]。

2 基于ABAQUS的模擬工況分析

2.1 原始邊坡模擬

模擬研究的工程為坡頂有一座500kVA高壓電塔的邊坡。邊坡主要由第四系坡積粉質(zhì)粘土及石炭系頁巖組成。邊坡土層的主要物性指標(biāo)：重度γ=22kN/m3，粘聚力c=45，內(nèi)摩擦角φ=28°，E=100MPa，泊松比v=0.3。每一層土體的土性基本相同，所以根據(jù)實際情況對邊坡進(jìn)行計算簡化，同時在穩(wěn)定分析方面，采用三維模型，邊坡的二維平面尺寸如圖1所示。

圖1 邊坡計算模型示意圖

通過ABAQUS軟件對該邊坡建立三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇C3D8（八節(jié)點六面體）作為單元類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分即可，此模型一共有1356個節(jié)點，2568單元。圖2是邊坡模擬的最終的等效塑性應(yīng)變分布圖。

圖2 邊坡模型等效塑性應(yīng)變分布圖

從圖2中可以看出一級邊坡坡腳位置的等效塑性應(yīng)變較大，隨著塑性應(yīng)變的發(fā)展，邊坡的滑動面快速變化，滑動帶快速發(fā)育，向內(nèi)發(fā)展，一級邊坡坡腳的等效塑性應(yīng)變持續(xù)增大；最后邊坡發(fā)展到最終狀態(tài)，滑動面貫穿整個原始邊坡，最終形成了由滑體、滑帶、滑床三部分組成的滑動面，一級邊坡坡腳的等效塑性應(yīng)變達(dá)到最大值。

2.2 邊坡+電塔荷載工況模擬

為能良好分析設(shè)有電塔邊坡的工程性質(zhì)，需分析邊坡在興建電塔后的模擬情況。若想滑動面位置和滑坡成因，首先需要分析在電塔荷載施加后滑坡出現(xiàn)了哪些變化。從這些變化去研究邊坡治理時應(yīng)該重點處理哪些部位，將直接關(guān)系到工程加固措施的成本以及加固效果。圖3為輸電塔基礎(chǔ)荷載正方向示意圖。

圖3 輸電塔基礎(chǔ)荷載正方向示意圖

根據(jù)邊坡的豎向位移分布圖4可知，邊坡頂部施加電塔荷載后，邊坡整體出現(xiàn)部分豎向位移，其中在邊坡頂部沉降量較小，沉降量大約在59cm左右，但邊坡的中下部沉降量較大，在82cm左右。頂部沉降量小主要是因為電塔底部具有混凝土基礎(chǔ)，電塔荷載會通過混凝土基礎(chǔ)往下進(jìn)行傳遞，所以對于下層土體影響較大，而邊坡左側(cè)由于缺乏一個方向的土體側(cè)向壓力，就會導(dǎo)致土體出現(xiàn)大幅變形，從而導(dǎo)致坡體滑移。而邊坡頂部的沉降主要是因為電塔的下部的土體在沉降的過程中，周圍的土體附著下降，所以產(chǎn)生較其他部位小的沉降量。

圖4 邊坡計算模型示意圖

2.3 邊坡+電塔荷載+抗滑樁+錨桿工況模擬

邊坡臨空側(cè)由于缺乏土體側(cè)向壓力，在一定的電塔荷載作用下一級坡腳應(yīng)力集中，會導(dǎo)致土體出現(xiàn)大幅變形，從而導(dǎo)致坡體滑移。因此，對涉高壓電塔邊坡，應(yīng)重點對一級坡腳施加約束，考慮采用抗滑樁+錨桿的工程手段進(jìn)行加固。另外，電塔基礎(chǔ)靠臨空側(cè)不允許有較大沉降，宜對邊坡中上部采用錨桿加固。本節(jié)采用數(shù)值模擬研究對抗滑樁+錨桿加固作用機(jī)理及其效果進(jìn)行模擬分析。

圖5 （a）表示5MPa電塔荷載下邊坡采用抗滑樁和錨桿加固方案的示意圖，在一級邊坡的坡腳附近采用φ2.2@3.5m抗滑樁（樁長22m）進(jìn)行防護(hù)，同時在二級邊坡進(jìn)行采用錨桿格梁進(jìn)行防護(hù)，其錨桿錨固長度為10m，錨桿約束在模擬中采用約束邊界面進(jìn)行定義。

圖5 邊坡加固計算模型示意圖

圖6 表示加固后邊坡的位移分布圖，發(fā)現(xiàn)加固后整個邊坡的位移明顯減小，尤其是坡頂電塔荷載處的位移才達(dá)到10.47cm，一、二級邊坡坡腳的位移均約為5.1cm，三級邊坡坡腳的位移約為7.2cm。而且，在抗滑樁和錨桿的支護(hù)下，發(fā)生位移的坡體區(qū)域的范圍變大。也就是說，抗滑樁和錨桿加固將不利荷載傳遞并分散至更大區(qū)域的坡體進(jìn)行承載，對應(yīng)的位移發(fā)生區(qū)域也大，但整體上的數(shù)值要小。另外，盡管對坡體進(jìn)行了加固，但是電塔荷載作用處的位移仍然最大，這與實際情況比較符合。這也證實了在二級邊坡處進(jìn)行加固是比較合理的，即應(yīng)該在最危險處加固處理。同時，位移分層特征與典型滑動面比較一致，說明模擬結(jié)果比較正確。對比加固前后的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在抗滑樁和錨桿支護(hù)下，位移分布形狀在抗滑樁附近處呈下凹形，且樁身兩側(cè)的位移也略有不同，說明可能發(fā)生的位移被限制了，沿抗滑樁發(fā)生下移。

圖6 加固后邊坡的位移分布圖

圖7表示電塔荷載作用下邊坡加固時塑性區(qū)的演化過程，從模擬結(jié)果可以看出，塑性區(qū)起初從電塔荷載作用位置處開始發(fā)展，這是因為在邊坡自重平衡后，電塔荷載作用是塑性區(qū)發(fā)展的唯一發(fā)起點。隨著電塔荷載的增大，塑性區(qū)理論上應(yīng)沿各級邊坡坡腳方向發(fā)展，但是在抗滑樁和錨桿的加固支護(hù)下，塑性區(qū)均往地層下部發(fā)展，主要與抗滑樁和錨桿的限制作用有關(guān)。最終形成了兩個典型塑性區(qū)，這與抗滑樁和錨桿設(shè)置的位置有直接關(guān)系。特別是，在一級邊坡處設(shè)置抗滑樁支護(hù)后，一級邊坡坡腳處下方的塑性區(qū)下移的幅度明顯比二級邊坡坡腳附近的塑性區(qū)要平緩許多，這說明抗滑樁支護(hù)的效果比錨桿相對好一些，更能使得整個坡體的穩(wěn)定性增強(qiáng)許多。本質(zhì)上，無論是抗滑樁亦或是錨桿，其加固作用主要是使坡體的整體性增強(qiáng)，即加固后使原位置擴(kuò)展成一個更大區(qū)域的彈性體。總體來講，通過設(shè)置抗滑樁和錨桿進(jìn)行加固后，可以使整個坡體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗滑樁或者錨桿的作用可近似理解成是將坡體不同區(qū)域進(jìn)行銜接加固的，使原坡體擴(kuò)展成一個更穩(wěn)定的整體。

圖7 塑性區(qū)發(fā)展過程（發(fā)展階段：a-d）

利用強(qiáng)度折減法，不斷迭代試算得到不同分級邊坡的折減系數(shù)結(jié)果，如圖8所示。可以看出，一級邊坡安全系數(shù)為2.55，二級邊坡安全系數(shù)約2.00，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖8 高壓電塔位置關(guān)系示意圖

上述分析主要是對實際工程加固方案的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬驗證，抗滑樁和錨桿對涉高壓電塔邊坡起到很好的加固作用。

3 變形實測評估

廣東某高速某涉高壓電塔邊坡施工完畢后，對該工程進(jìn)行工后安全監(jiān)測，監(jiān)測對象為抗滑樁頂位移監(jiān)測和坡體位移監(jiān)測，采集的數(shù)據(jù)有樁頂水平位移位移和坡體深層水平位移，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行整理分析。

（1）抗滑樁頂表面位移監(jiān)測分析

圖9 為一個監(jiān)測周期內(nèi)對抗滑樁頂水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖，抗滑樁頂表面位移監(jiān)測結(jié)果表明，邊坡加固完成后，測點未發(fā)生明顯水平位移。

圖9 抗滑樁監(jiān)測數(shù)據(jù)

（2）深層測斜監(jiān)測分析

圖10 為一個監(jiān)測周期內(nèi)深層測斜位移監(jiān)測數(shù)據(jù)折線圖，表明邊坡加固完成后，在本監(jiān)測周期內(nèi)，測點未發(fā)生明顯水平位移。

圖10 深層測斜數(shù)據(jù)

通過對采用抗滑樁+錨桿框架梁加固后的涉高壓電塔邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)所有監(jiān)測點在監(jiān)測周期內(nèi)沒有發(fā)生明顯的位移變化，說明采用抗滑樁+錨桿框架梁的加固效果較為明顯。

4 結(jié)束語

（1）通過 ABAQUS計算軟件建立三維邊坡模型，對原始邊坡數(shù)值模擬：塑性區(qū)發(fā)展趨勢變化數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著強(qiáng)度折減，應(yīng)力于一級邊坡坡腳位置向內(nèi)發(fā)展，形成圓弧滑面；位移模擬研究發(fā)現(xiàn)坡腳應(yīng)力集中，位移最大，最易滑動；（2）邊坡+電塔+抗滑樁+錨桿的數(shù)值模擬：采用坡腳設(shè)置抗滑樁+邊坡上部設(shè)置錨桿的工程手段進(jìn)行加固。邊坡加固后塑性應(yīng)變的模擬發(fā)現(xiàn)設(shè)置抗滑樁和錨桿后，可有效約束抗滑樁和錨桿加固區(qū)域土體的移動，最終導(dǎo)致滑動面分別下移至一級邊坡處抗滑樁底部和二級邊坡處錨桿加固區(qū)下方；邊坡加固后水平位移模擬發(fā)現(xiàn)坡頂電塔荷載處水平左移了約5cm，一、二級邊坡坡腳的水平位移分別約為3.7cm、5.2cm，三級邊坡坡腳向左移動了約7cm。由此可見，邊坡加固后處于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）本文選取廣東省某高速某涉高壓電塔邊坡為研究對象，根據(jù)數(shù)值模擬研究分析結(jié)論，對邊坡進(jìn)行抗滑樁+錨桿格梁加固方案設(shè)計。邊坡加固完成后變形監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，說明采用抗滑樁的加固效果明顯。此工程研究案例可為類似邊坡工程提供借鑒意義。