擋墻聯(lián)合錨桿加固邊坡效果分析

李宏強(qiáng),智學(xué)美,金 磊,常偉世

(中冀建勘集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050200)

0 引言

山區(qū)邊坡穩(wěn)定性及知支護(hù)工程是關(guān)乎國民生計(jì)的重要問題。既有研究表明,影響邊坡穩(wěn)定性的因素有很多,如降雨、地震級工程擾動(dòng)等。其中降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。針對邊坡防護(hù)工程,常用的手段有擋墻、抗滑樁、錨桿及框格梁等。其中擋墻聯(lián)合錨桿加固邊坡也是目前常用的加固手段之一。張思峰等[1]基于有限差分?jǐn)?shù)值分析模型系統(tǒng)的研究了分散型錨桿擋土墻受力及影響因素。結(jié)果表明,支護(hù)結(jié)構(gòu)位移隨地基圖內(nèi)聚力的增大而減小;而結(jié)構(gòu)的彈性模量對擋墻的內(nèi)力和變形影響不顯著,此外,增加錨定板數(shù)量有利于提高加固效果。司亞蔚等[2]基于現(xiàn)場監(jiān)測研究了排樁錨桿與土釘墻聯(lián)合支護(hù)在深基坑的加固效果。結(jié)果表明,聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效提高邊坡穩(wěn)定性,是一種安全合理的支護(hù)形式。聶勇等[3]基于數(shù)值模擬研究了錨桿對懸壁式擋墻抗滑穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,當(dāng)采用錨桿與懸壁式擋墻協(xié)同工作時(shí),邊坡穩(wěn)定性顯著提高。喬光祿[4]基于理論分析研究了錨桿式擋墻的抗震設(shè)計(jì)方法。分析了慣性力觸發(fā)錨固式擋墻產(chǎn)生位移機(jī)理,深入探討擋墻的破壞形式和破壞機(jī)理。羅江波[5]依托工程實(shí)例,通過對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和驗(yàn)算,證明了采用懸臂式擋土墻上加設(shè)錨桿的設(shè)計(jì)方案是安全可行的。并進(jìn)一步通過施工效果檢驗(yàn),對懸臂式錨桿擋土墻處理高填土邊坡的合理性和安全性做出了評價(jià)。

目前,對邊坡穩(wěn)定性分析有很多研究。然而,針對凍融循環(huán)和蠕變特性對土體強(qiáng)度的影響研究仍然比較匱乏。本文選取了基于凍融區(qū)巖土體,開展了凍融循環(huán)下土體強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律,并采用強(qiáng)度折減法建立凍融循環(huán)與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。本文研究為類似邊坡的穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模擬

研究區(qū)邊坡位于某山區(qū)鐵路段邊坡。地處濕潤半濕潤地區(qū),降雨量集中。年平均氣溫17.7℃,最高氣溫40.9℃,極端最低氣溫-3.3℃。多年平均年蒸發(fā)量1 395.6 mm,多年平均相對濕度68%,最大風(fēng)速15.3 m/s,多年平均年降水量748.4 mm,最大日降水量168.2 mm,降水集中在5-10月,雨季降水量占全年降水80%～90%。根據(jù)鉆孔資料揭示,研究區(qū)邊坡巖層由上到下分別為粉質(zhì)黏土、碎石土和砂巖。其中,粉質(zhì)黏土層呈淺灰色,濕,稍密,局部相變?yōu)轲ね痢Ｆ骄鶚?biāo)貫擊數(shù)N=6.6擊,物理力學(xué)性質(zhì)一般。碎石土呈灰色-灰黑色,顆粒大部分分散小部分膠結(jié),粒徑大于2 mm的顆粒含量占總質(zhì)量50%以上,稍濕～飽和,中密狀態(tài)。根據(jù)勘察資料,研究區(qū)降雨量充沛,降水多數(shù)以地表徑流方式匯入河溝,其余降水沿第四系基巖孔隙滲入地下,是地下水補(bǔ)給主要來源。根據(jù)工程需要需對該邊坡進(jìn)行切坡,切坡方式見圖1所示(圖1)。

圖1 邊坡典型剖面圖

根據(jù)典型斷面,采用GEO-STUDIO建立數(shù)值計(jì)算模型。巖土體笨狗模型采用摩爾-庫倫模型,模型的邊界條件為,約束左右方向的水平位移,底部約束三個(gè)方向的位移,頂部為自由面。最終得到的計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)為25 630,節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為31 205。此外,切坡完畢后,擬采用加固措施進(jìn)行支護(hù),支護(hù)方式主要為錨桿擋墻。擋墻主要分為四級,擋墻立板長度和寬度分別為3.5 m和0.3 m,最后一級擋墻嵌入地下1.0 m。錨桿采用HRB335,其中錨固段長度為5 m,自由端長度為7 m,垂直和水平間距為3 m。采用M30注漿,錨桿入射角為20°。加固后的典型剖面圖見圖1。數(shù)值計(jì)算中巖土體的參數(shù)見表1～表3。

表1 天然狀態(tài)力學(xué)參數(shù)

表2 飽和狀態(tài)力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析

表4匯總得到不同工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。結(jié)果表明,不采取任何支護(hù)方式的邊坡在天然工況和飽和工況均處于不穩(wěn)定狀態(tài),其中天然工況的穩(wěn)定性系數(shù)為0.951,飽和工況下的穩(wěn)定性系數(shù)大幅降低為0.906;當(dāng)采用錨桿擋墻的支護(hù)后,邊坡的穩(wěn)定性大幅提高,在天然和飽和工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),其中天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.967,在飽和工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.782。兩者均處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足規(guī)范要求的安全性要求。

表4 不同工況下邊坡安全系數(shù)

表5 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

2.2 擋墻變形分析

為分析擋墻立板的變形情況,本文計(jì)算了支護(hù)結(jié)構(gòu)分別在天然和飽和狀態(tài)下的變形。圖2為不同工況下?lián)鯄α逅轿灰啤＝Y(jié)果表明,飽和工況下?lián)鯄α宓乃轿灰骑@著大于天然工況下的立板水平位移。且在不同工況下,立板的水平位移均隨地面距離的增大而呈線性增大的趨勢。在天然工況下,擋墻頂面最大水平位移為1.2 mm,而飽和工況下,擋墻立板頂面的最大水平位移為1.84 mm,飽和工況下水平位移增大了53%。

圖2 不同工況下?lián)鯄α逅轿灰?

圖3飽和工況下三級擋墻底板水平位移隨底板寬度的變化規(guī)律。結(jié)果表明,各級擋墻底板水平位移沿底板寬度方向保持不變。其中對于一級擋墻而言,最大水平位移為0.92 mm,二級擋墻最大水平位移為0.63 mm,三級擋墻最大水平位移為0.3 mm.總體來看,擋墻底板水平位移在飽和工況下均比較小,證明擋墻加固效果較好。

圖4為不同工況下?lián)鯄α遑Q向位移。結(jié)果表明,飽和工況下?lián)鯄α宓呢Q向位移顯著大于天然工況下的立板豎向位移。且在不同工況下,立板的豎向位移均隨地面距離的增大而呈線性增大的趨勢。在天然工況下,擋墻頂面最大豎向位移為1.0 mm,而飽和工況下,擋墻立板頂面的最大豎向位移為1.96 mm,飽和工況下豎向位移增大了96%。

圖4 不同工況下?lián)鯄α遑Q向位移

圖5飽和工況下三級擋墻底板豎向位移隨底板寬度的變化規(guī)律。結(jié)果表明,各級擋墻底板豎向位移沿底板寬度方向保持不變。其中對于一級擋墻而言,最大豎向位移為0.8 mm,二級擋墻最大豎向位移為0.55 mm,三級擋墻最大豎向位移為0.2 mm.總體來看,擋墻底板豎向位移在飽和工況下均比較小,證明擋墻加固效果較好。

2.3 錨桿軸力分析

為進(jìn)一步研究錨桿軸力的變化規(guī)律,本文分別計(jì)算了不同工況下錨桿軸力的變化趨勢。圖6給出了天然狀態(tài)下錨桿錨固段軸力。結(jié)果表明,錨固段端頭軸力最大,三排錨桿均處于受拉狀態(tài),證明錨桿發(fā)揮錨固作用。天然工況下,上排錨桿的最大軸力為24 kN,中排錨桿的最大軸力為266 kN,下排錨桿的最大軸力為107 kN。且在天然工況下,錨桿軸力隨錨固段長度呈線性變化規(guī)律。

圖6 天然狀態(tài)下錨桿錨固段軸力

圖7給出了飽和狀態(tài)下錨桿錨固段軸力。結(jié)果表明,錨固段端頭軸力最大,三排錨桿均處于受拉狀態(tài),證明錨桿發(fā)揮錨固作用。天然工況下,上排錨桿的最大軸力為42 kN,中排錨桿的最大軸力為84 kN,下排錨桿的最大軸力為120 kN。與在天然工況下相比,錨桿軸力在飽和工況下分別增大了75%、27%和12%。此外,本文采用的錨桿抗拉強(qiáng)度為300 N/mm2。因此,在天然工況和飽和工況下錨桿均可以滿足受力安全性要求。

3 結(jié)語

擋墻聯(lián)合錨桿加固邊坡是工程中常用的加固邊坡的方法之一,本文采用數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了某挖方邊坡在天然工況和飽和工況下的穩(wěn)定性,并針對錨桿擋墻支護(hù)措施,分析了結(jié)構(gòu)的變形效應(yīng)。得到如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)不采取支護(hù)的邊坡在天然工況和飽和工況均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)采用錨桿擋墻的支護(hù)后,邊坡的穩(wěn)定性大幅提高,在天然和飽和工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足規(guī)范要求的安全性要求。

(2)不同工況下,擋墻立板的水平位移和豎向均隨地面距離的增大而呈線性增大的趨勢。在天然工況下,擋墻頂面最大水平位移和豎向位移分別為1.2 mm和1.0;飽和工況下,擋墻立板頂面的最大水平位移和豎向位移分別為1.84 mm和1.96 mm。

(3)錨桿受力分析表明,錨固段端頭軸力最大,三排錨桿均處于受拉狀態(tài)。與在天然工況下相比,錨桿軸力在飽和工況下分別增大了75%、27%和12%,且不同工況下錨桿均可以滿足受力安全性要求。

(4)降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。實(shí)際工程中,對于降雨充沛的地區(qū)需要及時(shí)排水,防止雨水劣化巖土體。此外,根據(jù)本文的研究,采用聯(lián)合支護(hù)措施可以有效提高邊坡穩(wěn)定。