某公路邊坡防護的錨桿預應力損失對穩定性的影響探討

2024-03-06 00:00:00歐錦

交通科技與管理 2024年7期

摘要為有效探究錨桿預應力損失對邊坡穩定性的影響，提高公路邊坡防護效果，保證公路安全穩定運營，文章依托某公路邊坡防護案例，通過有限元模擬，系統分析了不同錨桿預應力下邊坡位移及安全系數變化規律。結果顯示：（1）錨桿預應力損失會在一定程度上影響公路邊坡穩定性，特別是損失量達到60%的條件下，其安全系數僅為1.079，邊坡整體欠穩定。（2）預應力損失相同條件下，一級邊坡安全系數降幅高于二級邊坡。（3）同級邊坡防護時，預應力損失上排錨桿造成的邊坡位移最大，下排次之，中排最小，因此工程實踐中應合理強化上、下排錨桿支護。

關鍵詞公路工程項目；邊坡工程；錨桿預應力損失；穩定性數值分析

中圖分類號 U416.14 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0130-03

0 引言

預應力錨桿作為公路邊坡防護中常用的技術手段，主要是在邊坡土層內設置拉力桿件，并施加預應力作用，達到改變土體力學特性及增強邊坡穩定性的目的。該支護方式具有操作簡單、成本低、加固效果好等優點。該文結合實際工程案例，通過有限元模型，全面探究了預應力損失對邊坡穩定性的影響，得到了不同預應力損失下邊坡穩定性變化規律，具有重要的實踐意義[1]。

1 工程概況

某公路工程沿線地形復雜，深挖路段分布廣泛，道路建設過程中需同步完成邊坡支護工作，以確保施工安全。典型斷面支護形式，見圖1，邊坡巖層分布以粉土及粉黏土為主。邊坡防護采用三級邊坡設計，其中下部兩級邊坡坡面長、高依次為35 m和28 m。一、二級邊坡高全部為8 m，邊坡平臺寬為3 m，由下而上各級邊坡傾角分別為60 °、45 °、30 °。根據邊坡實際情況，確定采用錨桿+框格進行防護，斷面各級邊坡處布置三根錨桿，桿徑32 mm，長12 m，型號為HRB400，縱、橫向布設間距全部為3 m。其標準軸力為500 kN，所加預應力全部為320 kN。

2 模型建立

2.1 PLAXIS建模

利用PLAXIS系統構建邊坡模型，見圖2。模型長、高分別為70 m和40 m，共劃分為1 842單元，對其底部及水平方向施加約束，通過摩爾-庫倫本構模型實施模擬分析[2]。邊坡土體、錨桿及混凝土框格相關技術指標，見表1～2。

2.2 驗證數值模擬方法的可行性

為檢驗該模擬方法的準確性，將模擬計算結果與實際測量結果進行比較，其中1#～6#測點依次分布在自上而下的錨桿部位[3]。通過比較發現，實測值與模擬值偏差小于10%，由此證明該模擬方法完全可行。

3 錨桿預應力損失影響分析

為有效探究錨桿預應力損失對邊坡穩定性的影響，通過數值模型，對錨桿預應力損失10%～60%條件下邊坡位移及安全系數變化進行模擬分析[4]。

3.1 邊坡位移分析

通過模擬分析，獲得預應力損失10%～60%條件下邊坡橫向位移變化規律。結果顯示：各種預應力損失下邊坡橫向位移變化趨勢大致相同，其中，相較于損失量10%時，60%條件下的橫向位移量較大[5]。

為進一步探究不同預應力損失下邊坡位移情況，通過分析獲得錨桿預應力損失與邊坡位移變化關系，見圖3。

從圖3可知：

（1）隨著錨桿預應力損失量越來越大，邊坡橫向、豎向及最大位移全部呈現增大趨勢，尤其以橫向位移變化最為顯著。

（2）當預應力損失量在40%以內時，其橫向及最大位移增幅較小，當其損失量超過40%后，增幅明顯增大[6]。

3.2 邊坡安全系數分析

通過數值模擬計算，獲得不同錨桿預應力損失下邊坡安全系數變化規律，見圖4。

從圖4可知：

（1）錨桿預應力損失越大，安全系數越小，且與預應力損失量0%相比，損失量10%～60%條件下安全系數依次下降6.2%、12.5%、15.3%、19.4%、20.8%、25.0%。

（2）預應力損失量60%條件下，邊坡安全系數最小，邊坡欠穩定。

3.3 不同級錨桿預應力損失分析

為探究各級錨桿預應力損失下邊坡安全系數變化情況，自下而上依次編號為一、二級邊坡，通過模擬計算得到各級錨桿預應力損失下邊坡位移變化，見圖5。

從圖5可知：

（1）隨著一級邊坡錨桿預應力損失越來越大，邊坡體橫向、豎向位移全部呈現增大趨勢，且橫向位移變化最大，豎向較小。損失量0%、20%、40%、60%條件下的最大位移量依次為32.2 mm、33.4 mm、36.4 mm、37.1 mm，相較于損失量0%時，其他三種損失量最大位移提升幅度依次為3.7%、9.3%、15.2%。

（2）二級邊坡位移變化情況與一級邊坡基本相同，其損失量0%、20%、40%、60%條件下的最大位移量依次為32.2 mm、32.5 mm、33.1 mm、33.6 mm，相較于損失量0%時，其他三種損失量最大位移提升幅度依次為1.0%、2.8%、4.3%。

綜上可知：預應力損失量相同條件下，一級邊坡位移量遠遠超過二級邊坡，所以工程實踐中應強化底部邊坡支護。為進一步比較一、二級錨桿預應力損失對邊坡穩定性的影響程度，通過計算得到損失量60%條件下的一、二邊坡安全系數分別為1.18、1.26。因此，相同預應力損失下，一級邊坡穩定性影響更大，所以在進行多級邊坡防護時，應合理強化底部邊坡防護[7]。

3.4 不同排錨桿預應力損失分析

為有效探究每排錨桿預應力損失下邊坡安全系數變化規律，選取一級邊坡為例進行模擬分析，將其自上而下布設上、中、下三排錨桿。通過模擬計算得出：

（1）隨著錨桿預應力損失越來越大，其橫向、豎向及最大位移全部呈現增大趨勢，且橫向位移變化最大，豎向較小[8]。其中，上排錨桿損失量0%、20%、40%、60%條件下的最大位移量依次為27.2 mm、28.6 mm、31.9 mm、35.4 mm，與損失量0%相比，其他三種預應力損失下最大位移增加幅度依次為3.7%、17.2%、30.1%；中排錨桿損失量0%、20%、40%、60%條件下的最大位移量依次為27.2 mm、27.4 mm、27.9 mm、28.9 mm，與損失量0%相比，其他三種預應力損失下最大位移增加幅度依次為0.7%、2.6%、6.3%；下排錨桿損失量0%、20%、40%、60%條件下的最大位移量依次為27.2 mm、28.1 mm、31.1 mm、34 mm，與損失量0%相比，其他三種預應力損失下最大位移增加幅度依次為3.3%、14.3%、25%。

（2）為了比較上部、中部和下部三排錨索的預應力損失對邊坡穩定的影響，經計算得出，在60%損失情況下，三排錨栓的安全系數分別為1.28、1.36、1.31。所以，在同樣的預應力損失條件下，上排錨桿的預應力損失最大，其次為下排錨桿，頂排最低，即同等級邊坡的支擋工程中，上部錨桿和下部錨桿的預應力損失對邊坡的穩定有很大的影響，在工程中更應該加強上、下排錨桿的錨固[9]。

4 結語

綜上所述，該文依托某公路邊坡防護案例，通過有限元模擬，系統分析了不同錨桿預應力下邊坡位移及安全系數變化規律，具體結論如下：

（1）根據模擬計算結果與實測結果比較發現，實測值與模擬值偏差小于10%，充分證明數值模擬方法完全可行。

（2）隨著錨桿預應力損失越來越大，邊坡橫向、豎向及最大位移全部呈現增大趨勢，尤其以橫向位移變化最為顯著；當預應力損失量在40%以內時，其橫向及最大位移增幅較小，當其損失量超過40%后，增幅明顯增大。

（3）錨桿預應力損失越大，安全系數越小，且預應力損失量在60%條件下，邊坡安全系數最小，其值為1.079，該條件下邊坡欠穩定。

（4）預應力損失相同條件下，一級邊坡位移量遠遠超過二級邊坡，表明預應力損失對一級邊坡穩定性影響更大，所以在進行邊坡防護時，應合理強化底部邊坡防護。

（5）在同樣的預應力損失條件下，同級邊坡上排的預應力損失最大，其次是下部錨索，最后是中間錨索。這說明在同等級邊坡的支擋結構中，上下排錨桿的預應力損失對邊坡的穩定有很大的影響，所以在工程中，更應加強上、下排錨桿的錨固效果。

參考文獻

[1]陳云生，蘇初明. 錨桿布設方式及長度對邊坡穩定性的影響分析[J]. 西部交通科技， 2022（5）： 29-31.

[2]王小敏. 邊坡穩定性監測在山區高速公路施工中的應用[J]. 交通建設與管理， 2020（6）： 142-143.

[3]張正鑫，岳家明，周薇. 公路邊坡穩定性分析及治理方法[J]. 交通世界， 2022（16）： 131-133.

[4]王曉敏，姚怡，宋蕾. 公路邊坡穩定性分析及優化處理研究[J]. 中小企業管理與科技， 2021（4）： 186-187.