基于數(shù)值模擬的順層巖質(zhì)邊坡抗滑樁支護(hù)設(shè)計(jì)

王張軍

（湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南吉首 416000）

基于數(shù)值模擬的順層巖質(zhì)邊坡抗滑樁支護(hù)設(shè)計(jì)

王張軍

（湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南吉首 416000）

以湖南某高速公路順層巖質(zhì)邊坡為例，利用FLAC3D軟件模擬分析了順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖前后的安全系數(shù)、剪切應(yīng)變、沉降位移、水平位移變化，并采用抗滑樁對(duì)開(kāi)挖后的順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行支護(hù)，模擬分析抗滑樁支護(hù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的支護(hù)效果。結(jié)果表明，該邊坡在自然狀況下整體穩(wěn)定，進(jìn)行開(kāi)挖后易發(fā)生垮塌，采用抗滑樁支護(hù)措施對(duì)其穩(wěn)定性具有一定積極效果。

公路；順層巖質(zhì)邊坡；抗滑樁；數(shù)值模擬

工程建設(shè)中會(huì)對(duì)原有巖土體造成不同程度的擾動(dòng)，可能使邊坡發(fā)生重大變形，甚至導(dǎo)致路基邊坡發(fā)生整體失穩(wěn)。在發(fā)生垮塌的邊坡或具有潛在垮塌危險(xiǎn)的邊坡中，順層巖質(zhì)邊坡占據(jù)大多數(shù)。如果處置不當(dāng)，在工程建設(shè)及后期運(yùn)營(yíng)期間可能發(fā)生嚴(yán)重的災(zāi)害。所以對(duì)開(kāi)挖后的順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析并對(duì)可能發(fā)生垮塌的邊坡采取支護(hù)措施是亟需解決的問(wèn)題。

在順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究方面，劉才華等認(rèn)為順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要取決于滑動(dòng)面的物理力學(xué)性質(zhì)和地下水對(duì)邊坡巖土體的水壓力；李云鵬等認(rèn)為順層巖質(zhì)邊坡的破壞主要表現(xiàn)為剪切滑動(dòng)；許寶田等利用數(shù)值軟件研究了多層含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機(jī)制。在順層巖質(zhì)邊坡支護(hù)方式研究方面，黃潤(rùn)秋、史振興等從工程地質(zhì)的角度對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的變形機(jī)制進(jìn)行分析，提出了預(yù)應(yīng)力錨索和抗滑樁的加固方案。在數(shù)值模擬方面，主要是利用有限元或有限差分法建立二維或三維數(shù)值計(jì)算模型，研究樁-土相互作用下樁身變形與內(nèi)力分布及樁周土體應(yīng)力和變形情況。在試驗(yàn)研究方面，主要是通過(guò)室內(nèi)小比尺物理模型與離心試驗(yàn)等，直觀研究樁-土相互作用及抗滑樁的工作性能。上述研究并未對(duì)順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖過(guò)程及抗滑樁加固后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該文依據(jù)某高速公路順層巖質(zhì)邊坡，運(yùn)用FLAC3D軟件分析邊坡開(kāi)挖過(guò)程及采取相應(yīng)支護(hù)措施后的穩(wěn)定性。

1　工程概況

某高速公路K51+820—960段順層巖質(zhì)邊坡高約20m，坡度約45°，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)夜郎組灰?guī)r與泥巖互層。產(chǎn)狀為326°∠39°，坡向327°，與巖層面傾向的夾角為60°，屬于順層巖質(zhì)邊坡，產(chǎn)生順層滑動(dòng)的危險(xiǎn)性大（見(jiàn)圖1）。線(xiàn)路從斜坡體中下部通過(guò)，植被較發(fā)育，局部基巖出露，開(kāi)挖施工會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，需采取抗滑樁對(duì)其進(jìn)行支護(hù)。為驗(yàn)證抗滑樁支護(hù)邊坡的可靠性，采用FLAC3D軟件對(duì)邊坡開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。該邊坡中風(fēng)化泥巖的基本參數(shù)見(jiàn)表1；樁結(jié)構(gòu)采用FLAC3D中的Pile模擬，各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1　K51+820—960段邊坡剖面示意圖

表1　邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2　抗滑樁計(jì)算力學(xué)參數(shù)

2　數(shù)值模型的建立

根據(jù)該順層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際情況建立數(shù)值計(jì)算模型，取邊坡高度為20m，坡度為30°，模型下邊界為62m，左邊界為40m，右邊界為20m，上邊界為18m，坡腳至右邊界約為10m（見(jiàn)圖2）。模型的下邊界固定，側(cè)向約束水平位移，上部為自由邊界，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則描述土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，將自重應(yīng)力場(chǎng)作為邊坡的初始應(yīng)力場(chǎng)。

圖2　K51+820—960段邊坡數(shù)值計(jì)算模型（單位：m）

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1邊坡開(kāi)挖前穩(wěn)定性分析

利用FLAC3D對(duì)該順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。計(jì)算得開(kāi)挖前邊坡的安全系數(shù)為1.22，圖3～5為未開(kāi)挖邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D、沉降位移變化云圖和水平位移變化云圖。

由圖3可知：未開(kāi)挖邊坡的剪切應(yīng)變最大值出現(xiàn)在邊坡坡腳附近及距離坡腳一定高度處，說(shuō)明當(dāng)邊坡發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，可能從坡腳處與距坡腳一定距離處滑出。工程實(shí)際中，邊坡的失穩(wěn)往往是從坡腳開(kāi)始，模擬結(jié)果較符合工程實(shí)際。

圖3　未開(kāi)挖邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖4　未開(kāi)挖邊坡沉降位移變化云圖（單位：m）

圖5　未開(kāi)挖邊坡水平位移變化云圖（單位：m）

由圖4和圖5可知：邊坡的最大沉降為0.029 m，水平位移最大值為0.053m，對(duì)邊坡安全穩(wěn)定性的影響較小。

綜上，該邊坡在自然狀況下整體穩(wěn)定，但對(duì)其進(jìn)行開(kāi)挖或在外部不利因素作用下，邊坡有可能從坡腳或距坡腳一定高度處滑出。

3.2邊坡開(kāi)挖后穩(wěn)定性分析

對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖高度為9m，計(jì)算開(kāi)挖時(shí)邊坡的穩(wěn)定性，得開(kāi)挖后邊坡的安全系數(shù)為1.105，圖6～8為開(kāi)挖后邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D、沉降位移變化云圖和水平位移變化云圖。

圖6　開(kāi)挖后邊坡的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖7　開(kāi)挖后邊坡沉降位移變化云圖（單位：m）

圖8　開(kāi)挖后邊坡水平位移變化云圖（單位：m）

由圖6可知：邊坡開(kāi)挖時(shí)，剪切應(yīng)變主要分布在邊坡內(nèi)部和開(kāi)挖面附近的土體，并且在邊坡開(kāi)挖面附近貫通，剪切應(yīng)變?cè)隽孔畲笾抵饕霈F(xiàn)在坡腳處。

由圖7、圖8可知：邊坡的沉降位移最大值為0.057m，出現(xiàn)在邊坡開(kāi)挖面處；水平位移最大值為2.12m，出現(xiàn)在坡角處。綜上，對(duì)該邊坡進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，邊坡由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，在強(qiáng)降雨條件下可能由坡腳處滑出，需采用抗滑樁進(jìn)行支護(hù)。

3.3邊坡抗滑樁支護(hù)后穩(wěn)定性分析

為確保施工及后期運(yùn)營(yíng)安全，采用抗滑樁對(duì)該順層巖質(zhì)邊坡進(jìn)行支護(hù)（見(jiàn)圖9），并利用FLAC3D建立數(shù)值模擬計(jì)算模型（見(jiàn)圖10），計(jì)算分析抗滑樁支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性。計(jì)算得支護(hù)后邊坡的安全系數(shù)為1.25，圖11～13為支護(hù)后邊坡的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D、沉降位移變化云圖和水平位移變化云圖。

圖9　抗滑樁支護(hù)邊坡示意圖

圖10　抗滑樁支護(hù)邊坡計(jì)算模型

圖11　支護(hù)后邊坡的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖12　支護(hù)后邊坡的沉降位移變化云圖（單位：m）

圖13　支護(hù)后邊坡的水平位移變化云圖（單位：m）

由圖11可知：支護(hù)后邊坡的剪切應(yīng)變變化主要出現(xiàn)在邊坡內(nèi)部，剪切應(yīng)變?cè)隽孔畲笾党霈F(xiàn)在坡腳的局部，未支護(hù)時(shí)邊坡開(kāi)挖面附近的剪切應(yīng)變并未出現(xiàn)，說(shuō)明抗滑樁支護(hù)邊坡具有一定效果。

由圖12、圖13可知：支護(hù)后邊坡的沉降位移最大值為0.012m，出現(xiàn)在抗滑樁的頂部；水平位移最大值為0.035m，出現(xiàn)在坡角處。

綜合邊坡的安全系數(shù)及剪切應(yīng)變、沉降位移與水平位移云圖，采用抗滑樁支護(hù)措施對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生了積極的效果。

4　結(jié)論

（1）順層巖質(zhì)邊坡在自然狀況下的安全系數(shù)為1.22，最大沉降位移為0.029m，最大水平位移為0.053m，整體穩(wěn)定。

（2）順層巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖后安全系數(shù)為1.105，最大沉降位移為0.057m，最大水平位移為2.12m，開(kāi)挖處存在兩處剪切應(yīng)變，且開(kāi)挖面附近的剪切應(yīng)變貫通，說(shuō)明順層巖質(zhì)邊坡在開(kāi)挖后容易發(fā)生垮塌事故。

（3）采用抗滑樁支護(hù)后，順層巖質(zhì)邊坡的安全系數(shù)為1.25；沉降位移最大值為0.012m，出現(xiàn)在抗滑樁的頂部；水平位移最大值為0.035m，出現(xiàn)在坡角處。說(shuō)明采用抗滑樁支護(hù)措施對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有一定積極效果。

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U416.1

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1671-2668（2016）04-0107-04

2016-04-13