樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在紅砂巖邊坡中的應(yīng)用

柯宅邦，陳小川，張駿，樂騰勝

（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

1 引言

眾多研究表明，在經(jīng)歷強(qiáng)降雨入滲下，自然狀態(tài)下穩(wěn)定的邊坡有極大可能發(fā)生失穩(wěn)，形成滑坡災(zāi)害[1～3]。較多邊坡失穩(wěn)案例都發(fā)生在強(qiáng)降雨后，因此，研究強(qiáng)降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響顯得尤為重要。皖南地區(qū)有大量紅砂巖出露，特別是高速公路旁有大量的紅層路塹邊坡，且未進(jìn)行有效支護(hù)，而紅層又是一種遇水易軟化、崩解的特殊性巖體，持續(xù)的強(qiáng)降雨會(huì)影響紅層邊坡的穩(wěn)定性[4～7]，故本文將基于此次皖南地區(qū)強(qiáng)降雨后的某邊坡失穩(wěn)案例，開展強(qiáng)降雨下紅層路塹邊坡穩(wěn)定性分析，并結(jié)合紅砂巖特性設(shè)置合理的支護(hù)加固方案，為皖南地區(qū)高速公路的建設(shè)與防護(hù)提供參考。

2 邊坡模型參數(shù)選取及建立

此次強(qiáng)降雨后發(fā)生的滑坡災(zāi)害位于皖南地區(qū)某高速公路旁，該公路旁出露大量紅層路塹邊坡，滑坡發(fā)生時(shí)該地區(qū)24h降雨量達(dá)到300mm以上，屬于特大暴雨。

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，室內(nèi)試驗(yàn)主要獲取計(jì)算所需的關(guān)鍵性邊坡巖性參數(shù)，數(shù)值模擬采用MIDAS GTS NX巖土有限元軟件。通過強(qiáng)度折減法計(jì)算出此次強(qiáng)降雨下的紅層邊坡穩(wěn)定性，并結(jié)合區(qū)內(nèi)紅砂巖邊坡特性進(jìn)行加固，最后通過軟件模擬驗(yàn)證加固后穩(wěn)定。選取該條公路旁某典型滑坡案例，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測并結(jié)合地勘資料，現(xiàn)建立邊坡幾何模型如圖1所示。

圖1 邊坡幾何模型

該邊坡模型所需的計(jì)算參數(shù)為天然容重、飽和容重、初始孔隙比、彈性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角與巖土水力參數(shù)等，其計(jì)算參數(shù)均來自室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。本文需模擬降雨入滲對邊坡巖土體的影響，非飽和特性函數(shù)及其參數(shù)的選取對計(jì)算結(jié)果具有重要影響，現(xiàn)選取包氣帶巖土體水力特征中常用的Van-Genuchten函數(shù)，通過室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)值選取獲得邊坡巖土體水力計(jì)算參數(shù)。該邊坡巖土體選用Mohr-Colum材料模型，邊坡基本材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

邊坡基本材料計(jì)算參數(shù) 表1

本文采用邁達(dá)斯巖土軟件建立模型，如圖2、圖3所示。邊坡主要分為三層，從上到下巖性依次為全風(fēng)化砂石土，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，其中全風(fēng)化厚度平均為5m，強(qiáng)風(fēng)化平均厚度為15m，中風(fēng)化層較厚，設(shè)置為30m ～70m，邊坡寬度為20m，坡高約35m，屬于高邊坡，坡度為35°。左側(cè)水頭設(shè)置為30m，右側(cè)水頭設(shè)置為20m。

圖2 邊坡三維模型

圖3 邊坡模型側(cè)視圖

3 邊坡穩(wěn)定性分析

本文通過對自然狀態(tài)和經(jīng)歷此次特大暴雨后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，對比分析了該邊坡降雨前后的邊坡體積含水率、位移及應(yīng)變。

3.1 邊坡體積含水率

分別計(jì)算自然狀態(tài)以及特大暴雨后的邊坡體積含水率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 邊坡體積含水率

由圖5可知，邊坡自然狀態(tài)下坡體含水率較低，含水率最高部位位于全風(fēng)化砂石土層，且在坡腳處，為10.98%。經(jīng)歷此次特大暴雨后，雨水開始補(bǔ)給含水層，地下水位開始上升，該邊坡大部分區(qū)域達(dá)到飽和，受重力影響，邊坡靠近坡腳處幾乎完全飽和。

3.2 最大總位移

分別計(jì)算自然狀態(tài)以及經(jīng)歷此次特大暴雨后的邊坡最大總位移，結(jié)果如圖5所示。

圖5 邊坡最大總位移

由圖5可知，自然狀態(tài)下該邊坡最大總位移位于靠近坡腳處2.95m，邊坡整體發(fā)生位移部分僅位于全風(fēng)化層，以下強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)歷此次特大暴雨后，該邊坡最大總位移位于坡面靠近坡腳處3.03m，邊坡整體發(fā)生位移部分僅位于全風(fēng)化砂石土層，以下強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 最大剪應(yīng)變

分別計(jì)算自然狀態(tài)以及經(jīng)歷此次特大暴雨后的邊坡最大剪應(yīng)變，結(jié)果如圖6所示。

圖6 最大剪應(yīng)變云圖

由圖6可知，自然狀態(tài)下該邊坡剪應(yīng)變發(fā)生在全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸面上，以下強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。最大剪應(yīng)變位于全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸處1.30m。此時(shí)未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，邊坡安全系數(shù)FS=1.31，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但安全系數(shù)較低，容易受外界因素影響。

主要材料計(jì)算參數(shù) 表2

經(jīng)歷此次特大暴雨后，該邊坡剪應(yīng)變主要發(fā)生在全風(fēng)化砂石土層，以下強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化層均處于穩(wěn)定狀態(tài)。最大剪應(yīng)變位于全風(fēng)化砂石土層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸面1.07m。此時(shí)全風(fēng)化砂石土層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸面出現(xiàn)了從坡腳到坡頂?shù)耐暾苄载炌▍^(qū)，邊坡安全系數(shù)FS=1.06，產(chǎn)生了滑動(dòng)面，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

通過以上計(jì)算，皖南地區(qū)某高速公路旁紅層路塹邊坡在經(jīng)歷此次特大暴雨后，邊坡安全系數(shù)大大降低，出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，產(chǎn)生滑動(dòng)面，邊坡失穩(wěn)。其計(jì)算結(jié)果與該紅層邊坡失穩(wěn)案例一致，滑動(dòng)面位于全風(fēng)化砂石土層與強(qiáng)風(fēng)化層接觸面處。

4 樁錨加固邊坡計(jì)算

該邊坡位移、應(yīng)變最大值均位于坡腳處，且滑動(dòng)面較大，危害性高。針對該邊坡特性，擬在坡面噴射混凝土，并施加錨桿進(jìn)入基巖，在坡腳處設(shè)置樁錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，現(xiàn)設(shè)計(jì)加固方案如下。

在滑動(dòng)區(qū)域施加預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)入基巖，錨入基巖深度2m，錨索間距為2m，錨索布置后坡體表面進(jìn)行噴射混凝土錨固。坡底設(shè)置抗滑樁，抗滑樁通過預(yù)應(yīng)力錨索錨固在基巖上，錨入基巖深度2m。主要材料參數(shù)如表2所示，預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁和混凝土采用彈性材料模型。

建立邊坡加固模型如圖7和圖8所示。

圖7 邊坡加固模型三維圖

圖8 邊坡加固模型側(cè)視圖

其中，抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索組成的樁錨結(jié)構(gòu)示意圖如圖9、圖10所示。

圖9 樁錨結(jié)構(gòu)三維圖

圖10 樁錨結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

樁錨加固后的邊坡在特大暴雨條件下的計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 最大總位移云圖

圖12 最大剪應(yīng)變云圖

由圖11可知，樁錨加固后，特大暴雨條件下該邊坡最大總位移位于坡腳抗滑樁處7.27m，受錨索的影響，全風(fēng)化砂石土層、強(qiáng)風(fēng)化層與中風(fēng)化層均有一定的位移。由圖12可知，樁錨加固后，特大暴雨條件下該邊坡剪應(yīng)變發(fā)生在坡腳抗滑樁處，且受錨索影響，錨索進(jìn)入基巖中風(fēng)化層端部出現(xiàn)剪應(yīng)變區(qū)，但影響極小，未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)。最大剪應(yīng)變位于坡腳抗滑樁處2.31m，未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，對邊坡穩(wěn)定性無明顯影響。樁錨加固后，特大暴雨條件下，全風(fēng)化砂石土層與強(qiáng)風(fēng)化接觸面的塑性貫通區(qū)消失，此時(shí)邊坡安全系數(shù)FS=2.65，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，加固效果明顯。

5 結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取邊坡關(guān)鍵性巖土參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬，對強(qiáng)降雨下皖南某高速公路紅層路塹邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，并針對該邊坡特性設(shè)計(jì)了一定的邊坡加固方案，主要結(jié)論如下。

①通過對該邊坡進(jìn)行自然狀態(tài)和特大暴雨條件下的穩(wěn)定性計(jì)算得出，該邊坡自然狀態(tài)下體積含水率較低，經(jīng)歷此次特大暴雨后，雨水進(jìn)入中風(fēng)化層并開始補(bǔ)給含水層。降雨主要影響該邊坡的全風(fēng)化層，對強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化層影響不大。經(jīng)歷此次特大暴雨后，該邊坡安全系數(shù)大大降低，全風(fēng)化層形成塑性貫通區(qū)，產(chǎn)生滑動(dòng)面，邊坡失穩(wěn)。

②結(jié)合該邊坡特性，提出樁錨加固邊坡的方案，計(jì)算后得出該方案在特大暴雨下，邊坡安全系數(shù)從自然狀態(tài)的1.31 提高到 2.65，塑性貫通區(qū)消失，加固效果明顯。