基于FLAC3D的邊坡支護方案優化研究

楊麗君,趙葉江

(貴州有色地質工程勘察公司,貴陽 550002)

0 引言

西南地區分布著大量的順層邊坡,因其特殊的節理構造及巖體結構最易發生邊坡失穩現象,但不同的設計方案對順層邊坡的加固效果不同,因此有必要研究順層巖質邊坡支護方案的優化設計[1-2]。

國內外學者通過使用FLAC3D中的遍布節理模型進行巖質邊坡分析。吳順川[3]等通過強度折減法對邊坡穩定性進行分析,研究了順層邊坡失穩時的破壞形態及巖石節理對邊坡穩定性的影響。李光揚[4]研究了不同開挖方法對圍巖塑性區的影響。在錨桿支護邊坡方面,丁秀美[5]等通過FLAC3D建立錨索框架三維模型,研究了錨索框架支護對邊邊坡內部及邊坡坡面應力分布的影響。徐前衛[6]等采用FLAC3D建立模型,研究了預應力錨索對巖體位移變化及應力分布的影響,研究表明,在邊坡支護中使用預應力錨索可顯著減小邊坡位移及附加應力的產生。 在抗滑樁支護邊坡方面,張華[7]、雷文杰[8]采用有限元強度折減法研究了樁間距與樁身長度對邊坡滑動面的影響規律,并對樁的受力情況及加固效果進行評價分析。譚朝瑞[9]等通過研究抗滑樁設置位置對邊坡應力及位移分布的影響,明確指出設置抗滑樁可有效降低邊坡失穩及垮塌風險,且抗滑樁宜設置在邊坡坡腳位置。張永興[10]等研究了土拱在抗滑樁應用中的形成與作用。本研究基于三級支護的典型順層巖質邊坡,通過FLAC3D建立數值模型進行計算,對抗滑樁樁身長度及樁身截面積、錨桿錨固傾角及錨固長度進行優化研究。

1 工程概況

該順層巖質邊坡位于某國道處,由于公路靠近國家自然保護區,刷坡條件有限,擬采用放陡邊坡的方式減少刷坡。但該段坡體節理發育,穩定性差,放坡后難以自穩,故需進行邊坡支護。由于邊坡較高,考慮綜合采用抗滑樁及錨桿框架梁的形式進行支護。研究工點處邊坡巖性如下:殘坡積土:褐色、黃褐色,最大揭露厚度0.8 m,呈破碎狀。全風化片麻巖:黃綠色、灰褐色,最大揭露厚度8.2 m,呈塊狀結構,屬軟巖。強風化片麻巖:灰色、灰綠色,最大揭露厚度5.9 m,呈塊狀結構,屬軟巖。中風化片麻巖:灰色、灰綠色,最大揭露厚度11.2 m,呈塊狀結構,屬軟巖。弱風化片麻巖:灰白色,最大揭露厚度36.2 m,呈塊狀結構,屬堅硬巖石。

2 模型建立

以地勘資料為依據,采用FLAC3D建立邊坡模型,如圖1所示,巖體參數取值如表1所示。模型建立結束后,在自重作用下應力平衡,保留平衡后的應力狀態進行后續計算研究。

表1 FLAC3D巖體力學參數取值

圖1 巖質邊坡模型Fig.1 Rock slope model

采用巴西劈裂試驗及直剪試驗對巖體的力學參數進行測量,模型參數根據上述試驗進行取值。

在模型中心處選取一代表性截面,如圖2所示。采用三級加固的方式,在破面頂部、中部及坡腳位置分別設置三排抗滑樁及三組錨桿框架梁支護結構,坡面加固方案如圖3所示,抗滑樁及錨桿計算參數如表2、表3所示。

表3 抗滑樁計算取值

圖2 代表性截面Fig.2 Representative section

圖3 坡面加固方案Fig.3 Slope reinforcement scheme

3 邊坡支護方案優化

3.1 抗滑樁長度優化設計

在第一級抗滑樁設計中,樁長設計為52 m,嵌固深度為5 m。為了探究減少樁身長度對水平位移的影響,對52～48 m不同樁長的抗滑樁進行計算。由圖4可知,在樁身最開始的2 m范圍內出現了擠壓邊坡的負水平位移,使得該處土體受到擠壓而產生被動土壓力,在之后的樁身長度范圍內,抗滑樁由于受到土壓力的作用而產生背離土體的水平位移。在樁長小于49 m時,抗滑樁水平位移發生突變,水平位移較其他樁長的水平位移減小0.5 cm,但不同樁長抗滑樁對邊坡進行支護后,土體水平位移最大不超過2.5 cm,滿足規范要求。

圖4 第一級抗滑樁水平位移變化Fig.4 Change of horizontal displacement of the first stage anti-slide pile

如圖5所示,抗滑樁穩定系數隨著樁身長度的減小而逐漸減小,樁身在50～52 m時,抗滑樁的穩定系數變化較小,樁身在小于50 m時,其穩定系數隨著樁身長度的減小快速減小,故第一級抗滑樁的樁身長度經優化后可設計為50 m,此時水平位移為2.2 cm,穩定系數為1.56,滿足規范要求。

圖5 第一級抗滑樁穩定系數變化Fig.5 Change of stability coefficient of the first stage anti-slide pile

第二級抗滑樁原設計樁長為34 m,嵌固深度為5 m。由圖6可知,抗滑樁底部出現了擠壓土體的負水平位移,而擠壓土體的位移逐漸減小,在錨固接近錨固長度時,抗滑樁水平位移已轉變為背離邊坡的水平位移,在超過錨固深度后,樁身水平位移先有一個減小的趨勢,這主要是由于抗滑樁穿過了巖質邊坡的構造破碎帶,樁身周圍巖層性質突變,使得樁身水平位移發展趨勢發生轉變,之后水平位移隨著樁身長度的增長而增大,在大于25 m時,樁身水平位移保持不變。在第二級抗滑樁支護中,不同長度的抗滑樁水平位移相差不大。 如圖7所示,抗滑樁穩定系數隨著樁身長度的減小而減小,在樁身長度小于31 m時,抗滑樁穩定系數顯著減小,故第二級抗滑樁的樁身長度可取31 m,此時水平位移為1.4 cm,穩定系數為1.45,滿足規范要求。

圖6 第二級抗滑樁水平位移變化Fig.6 Change of horizontal displacement of the second stage anti-slide pile

圖7 第二級抗滑樁穩定系數變化Fig.7 Change of stability coefficient of the second stage anti-slide pile

第三級抗滑樁原設計樁長為18 m,嵌固深度為5 m。由圖8可知,第三級抗滑樁并沒有出現擠壓邊坡的負水平位移,而全部都是背離土體的位移,在錨固段范圍內,抗滑樁水平位移隨著樁身長度的增加而增加,在錨固段范圍外,抗滑樁水平位移隨著樁身長度的增加而減小,故在第三級抗滑樁支護中,樁水平位移最大值出現在錨固臨界面的位置。

圖8 第三級抗滑樁水平位移變化Fig.8 Change of horizontal displacement of the third stage anti-slide pile

如圖9所示,抗滑樁穩定系數隨著樁身長度的減小而減小,在樁身長度小于16 m時,抗滑樁穩定系數顯著減小,故第二級抗滑樁的樁身長度可取16 m,此時水平位移為0.188 cm,穩定系數為1.42,滿足規范要求。

圖9 第三級抗滑樁穩定系數變化Fig.9 Change of stability coefficient of the third stage anti-slide pile

由上述試驗結果可知,不同長度抗滑樁對巖質邊坡進行支護時,抗滑樁穩定系數都隨著樁身長度的減小而減小,且在邊坡巖性發生突變的地方抗滑樁的水平位移也會發生突變,在一定范圍內適當減短抗滑樁的樁身長度并不會引起樁身水平位移的大幅度改變,故在滿足規范的條件下可通過減小樁身長度來進行優化設計。

3.2 抗滑樁截面積優化設計

以第一級抗滑樁支護為例,取樁長為50 m,僅通過改變抗滑樁截面面積來研究抗滑樁截面面積對樁水平位移的影響。由圖10可知,不同截面積抗滑樁水平位移隨樁身長度的變化趨勢一致,且不同截面積抗滑樁水平位移相差不大,故在樁長相同的條件下可選用更小截面積的抗滑樁來進行邊坡支護。

由圖11可知,抗滑樁穩定系數隨著樁身截面積的減小而減小,在樁身截面積大于6 m2時,穩定系數隨截面積的減小略微減小,在樁身截面積小于6 m2時,穩定系數隨截面積的減小迅速減小,故在第一級抗滑樁支護中,抗滑樁截面面積可選為6 m2。

圖11 不同截面積抗滑樁穩定系數變化Fig.11 Change of stability coefficient of anti-slide pile with different cross-sectional area

由上述研究可知,改變抗滑樁的截面面積并不會顯著改變樁身的水平位移,但抗滑樁截面面積會顯著影響抗滑樁穩定系數,存在一個臨界截面積使得樁身截面積在小于臨界面積時,穩定系數隨著截面積的減小迅速減小,而在樁身截面積大于臨界面積時,穩定系數隨著截面積的減小只會略微減小。

3.3 錨桿嵌入角度優化

根據相關規范,錨桿嵌入角度宜為10°～35°。為了研究錨桿嵌入角度對順層巖質邊坡支護效果的影響,以第一級支護為例,在保持其他設計參數不變的情況下,通過改變錨桿嵌入角度來分析錨桿嵌入角度對順層巖質邊坡穩定性的影響。

由圖12可知,邊坡最大水平位移隨著錨桿嵌入角度的增大而逐漸減小,這是由于錨桿傾角越大,對邊坡的拖拽作用越強,故對邊坡水平位移限制越顯著,水平位移隨著錨桿傾角的增大而減小。

圖12 不同傾角下邊坡最大水平位移Fig.12 Maximum horizontal displacement of slope under different inclination angles

由圖13可知,隨著錨桿傾角的增大,錨桿穩定系數在逐漸增大,這主要是由于錨桿嵌入角度越大,對邊坡的拖拽作用越強,對邊坡的支護作用就越明顯,故穩定系數隨著錨桿傾角的增加逐漸增大。

圖13 不同傾角下邊坡穩定系數變化Fig.13 Variation of slope stability coefficient under different dip angles

3.4 錨桿錨固長度優化

錨桿傾角越大,邊坡穩定系數越高,故使錨桿傾角保持為33°不變,僅改變錨固段長度來研究錨固長度對順層巖質邊坡穩定性的影響。

由圖14可知,隨著錨固長度的增大,邊坡最大水平位移逐漸減小,當錨固長度小于8 m時,邊坡最大水平位移隨著錨固長度的增加顯著減小,當錨固長度大于8 m時,邊坡最大水平位移隨著錨固長度的增加,減小速率變緩。

圖14 不同錨固長度時邊坡最大水平位移變化Fig.14 Maximum horizontal displacement of slope varies with different anchoring lengths

由圖15可知,邊坡穩定系數隨著錨固長度的增加而增大,這主要是由于錨固長度越長,錨桿與周圍巖壁摩擦累計的摩阻力越大,對錨桿框架的拖拽作用越強,故穩定系數隨著錨固長度的增加而增大。

圖15 不同錨固長度時邊坡穩定系數變化Fig.15 Stability coefficient of slope varies with different anchoring lengths

4 結論

對順層巖質邊坡采用抗滑樁與錨桿支護進行研究,在原有的設計方案中對抗滑樁樁身長度及樁身截面積、錨桿錨固傾角及錨固長度進行優化設計,得到以下結論。

不同長度抗滑樁對巖質邊坡進行支護時,抗滑樁穩定系數均隨著樁身長度的減小而減小,在邊坡巖性發生突變的地方,抗滑樁的水平位移會發生突變,在一定范圍內適當減短抗滑樁的樁身長度并不會引起樁身水平位移的大幅度改變,故在滿足的規范的條件下可通過減小樁身長度進行優化設計。

改變抗滑樁的截面面積并不會顯著改變樁身的水平位移,但抗滑樁截面面積會顯著影響抗滑樁的穩定系數,存在一個臨界截面積使得樁身截面積在小于臨界面積時,穩定系數隨著截面積的減小迅速減小,而在樁身截面積大于臨界面積時,穩定系數隨著截面積的減小只會略微減小。

邊坡最大水平位移隨著錨桿錨固傾角的增加、錨固長度的增加而增加,邊坡穩定系數隨著錨桿錨固傾角的增加、錨固長度的增加而增加,故在進行錨桿框架支護設計時可通過增大錨固傾角和增加錨固長度提高邊坡穩定性