某路塹高邊坡預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

韓偉華

(山西黎霍高速公路有限公司 長治市 046000)

多山地區(qū)中修路不可避免需要開挖形成高路塹邊坡，邊坡穩(wěn)定性對道路交通安全至關(guān)重要。針對邊坡的支護(hù)方式較多，有包括錨桿支護(hù)、設(shè)置抗滑樁或擋土墻，還有通過減小不穩(wěn)定土體自重使邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的削坡法[1-2]，但其中最常見的支護(hù)方式還是錨桿支護(hù)方式。針對邊坡支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化相關(guān)學(xué)者已有研究[3-5]，針對某路塹高邊坡開挖，基于Midas/GTS有限元軟件對預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析研究，為類似工程開挖支護(hù)提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

某路塹巖質(zhì)邊坡地處丘陵地區(qū)，為均質(zhì)邊坡，土體主要以強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)砂巖組成。邊坡采用1∶1.2比例系數(shù)，左側(cè)進(jìn)行兩級放坡，右側(cè)一級放坡，每級坡高20m，馬道寬度設(shè)置為2m，邊坡斷面示意圖如圖1所示，具體巖體參數(shù)如表1所示。

表1 巖體參數(shù)表

圖1 邊坡初始狀態(tài)斷面示意圖

2 模型參數(shù)及分析工況

2.1 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法是將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在外荷載不變的前提下進(jìn)行不斷折減，使土體處于極限平衡時(shí)的折減系數(shù)即是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[6]。通過不斷調(diào)整巖土體的粘聚力c及內(nèi)摩擦角φ，將巖土體的強(qiáng)度參數(shù)折減Ftrial倍后得到新的強(qiáng)度參數(shù)(Cnext及φnext)代入有限元中進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算得到邊坡失穩(wěn)時(shí)，相應(yīng)的折減系數(shù)Ftrial即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

強(qiáng)度折減法折減公式見式(1)及式(2)所示。

Cnext=c/Ftrial

(1)

φnext=arctan[(tanφ)/Ftrial]

(2)

2.2 本構(gòu)模型

本次有限元計(jì)算選取彈塑性模型，德朗克-普拉格(Drucker-Prager)屈服準(zhǔn)則[7]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I1=σ1+σ2+σ3

(3)

式中：α和k為與粘聚力、內(nèi)摩擦角相關(guān)的參數(shù)，I1為應(yīng)力張量第一不變量，J2為應(yīng)力偏張量第二不變量。

2.3 支護(hù)方案及相關(guān)參數(shù)

本工程采用的是預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案，其預(yù)應(yīng)力錨桿組成如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)原理

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的基本原理是將錨桿錨固到深層地層中，固定后施加預(yù)應(yīng)力，通過錨桿周圍巖土體抗剪強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)物拉力進(jìn)行傳遞，增強(qiáng)土層強(qiáng)度以使土體開挖臨空面保持穩(wěn)定。

2.4 數(shù)值模型建立及分析工況

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3、圖4所示。

圖3 邊坡開挖過程模型

圖4 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)模擬

采取的支護(hù)方式的預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，施加預(yù)應(yīng)力值200kN，錨桿及混凝土等支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 支護(hù)參數(shù)表

2.5 模擬工況

從錨桿長度、錨桿傾角以及錨桿水平間距三個(gè)參數(shù)對預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，具體模擬工況如表3。

表3 模擬分析工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 邊坡初始狀態(tài)結(jié)果

圖5為模擬分析得到的邊坡初始狀態(tài)塑性區(qū)分布圖。

圖5 邊坡初始狀態(tài)塑性區(qū)分布

從圖5可以看出，此時(shí)邊坡的整體塑性區(qū)分布范圍較大，邊坡表層存在潛在滑移土體，從坡頂位置貫穿至坡底位置，最大塑性變形為1.704×10-1，此時(shí)邊坡的安全系數(shù)值為1.07，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)邊坡整體穩(wěn)定性較差，邊坡處于接近臨界失穩(wěn)狀態(tài)，表層土體潛在滑動(dòng)面極可能存在發(fā)生邊坡破壞。

3.2 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.2.1錨桿水平間距優(yōu)化

通過分析不同錨桿長度下，錨桿水平間距對邊坡穩(wěn)定性的影響，分析得到不同工況下邊坡的安全性系數(shù)如圖6所示。

圖6 錨桿水平間距對邊坡安全系數(shù)影響

從圖6可以看出，在相同錨桿長度下，邊坡安全系數(shù)隨著錨桿水平間距的增大逐漸減小，且錨桿水平間距設(shè)置大于4m后，邊坡安全系數(shù)隨著錨桿水平間距的增大減小幅度不斷增大，最小安全系數(shù)僅為1.06，可以說明錨桿間距設(shè)置越小，錨桿布置的越密集，能夠承受邊坡滑移土體產(chǎn)生的荷載越多，單根錨桿受力相對更小，邊坡的穩(wěn)定性也越好，再考慮施工成本，邊坡水平間距選取3～4m最佳。

3.2.2錨桿傾角優(yōu)化

(1)錨桿軸力

圖7為模擬分析得到的錨桿受力分布情況。

圖7 錨桿軸力分布

從圖7可以看出，錨桿軸力較小值均位于錨桿錨固段，且隨著角度的變化錨固段軸力值變化較小，可以說明錨桿角度變化下錨桿均處于正常錨固狀態(tài)。錨桿軸力最大值位于錨桿自由段，且軸力越大說明錨桿發(fā)揮的作用越大。

錨桿軸力最大值分析錨桿傾角對錨桿軸力的變化影響如圖8。

圖8 錨桿傾角對錨桿最大軸力影響

從圖8中可以看出，錨桿傾角從15°增大至30°，錨桿軸力最大值均不斷減小，在從15°增大至20°時(shí)錨桿軸力最大值減小幅度較小，當(dāng)錨桿傾角從20°繼續(xù)增大后錨桿最大軸力的減小幅度有所增大；當(dāng)錨桿傾角增大至40°錨桿最大軸力最小。可以看出錨桿傾角在15°～20°時(shí)錨桿所發(fā)揮的作用達(dá)到最大。

(2)邊坡安全系數(shù)

下面從邊坡安全系數(shù)角度分析錨桿傾角參數(shù)的優(yōu)化，如圖9所示。

圖9 錨桿傾角對邊坡安全系數(shù)影響

從圖9可以看出，隨著錨桿傾角增大，邊坡安全系數(shù)在不斷減小，當(dāng)錨桿傾角在15°～20°左右時(shí)邊坡安全系數(shù)基本達(dá)到最大值，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性最優(yōu)，這與從錨桿受力角度分析得到的結(jié)論基本一致，故認(rèn)為錨桿最佳傾角設(shè)置為15°～20°。

3.2.3錨桿長度優(yōu)化

統(tǒng)計(jì)所有工況相同錨桿長度下邊坡的安全系數(shù)分布情況，如圖10所示。

從圖10中可以看出，錨桿長度越長，邊坡安全系數(shù)離散性越小，邊坡安全性系數(shù)越為集中，可以認(rèn)為在錨桿長度一定時(shí)，變換其他錨桿參數(shù)，錨桿長度越長對控制邊坡穩(wěn)定性能力越大，邊坡穩(wěn)定性也越高。錨桿長度從9m增大至18m，邊坡的平均安全系數(shù)分別為1.15、1.21、1.26和1.30，可以發(fā)現(xiàn)邊坡安全系數(shù)增大趨勢有所減緩，因此考慮到施工成本情況下，錨桿長度宜選取12～15m。

圖11為錨桿長度l=12m、錨桿傾角α=15°及錨桿間距Sx=3m下邊坡開挖完成后的塑性區(qū)分布圖，邊坡最大塑性值僅為4.57×10-2，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

圖11 邊坡開挖完成后塑性區(qū)分布(l=12m,α=15°,Sx=3m)

4 結(jié)論

針對某工程路塹高邊坡，基于Midas/GTS有限元軟件對預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)錨桿間距設(shè)置越小，錨桿布置的越密集，能夠承受邊坡滑移土體產(chǎn)生的荷載越多，單根錨桿受力相對更小，邊坡的穩(wěn)定性也越好，此工程邊坡水平間距選取3～4m最佳。

(2)從錨桿受力角度分析得到錨桿傾角在15°～20°時(shí)錨桿所發(fā)揮的作用達(dá)到最大；從邊坡安全系數(shù)角度分析當(dāng)錨桿傾角在15°～20°時(shí)邊坡安全系數(shù)基本達(dá)到最大值，此時(shí)邊坡穩(wěn)定性最優(yōu)，與從錨桿受力角度分析得到的結(jié)論基本一致，故認(rèn)為錨桿最佳傾角設(shè)置為15°～20°。

(3)錨桿長度越長，邊坡安全系數(shù)離散性越小；在變換其他錨桿參數(shù)時(shí)，錨桿長度越長對控制邊坡穩(wěn)定性能力越大，邊坡穩(wěn)定性也越高。且隨著錨桿長度的增大，邊坡安全系數(shù)增大趨勢有所減緩，錨桿長度宜選取12～15m。