某高速公路下邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)方案研究

陳 東12

(1.四川大學(xué),四川 成都 610065; 2.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 云南 昆明 650101)

0 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的大環(huán)境下，高速公路的發(fā)展較為迅速，在高速公路設(shè)計(jì)施工時(shí)難免遇到復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件[1-3]，造成部分位置的邊坡高陡、穩(wěn)定性較差[4-7]。近些年，公路高邊坡垮塌的事故屢見(jiàn)不鮮，嚴(yán)重影響行車(chē)安全，甚至造成人員傷亡[8-10]，因此對(duì)高陡邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析及選用相應(yīng)的支護(hù)方案加固邊坡具有重要意義。某高速公路下邊坡高度較高且地質(zhì)條件較為復(fù)雜，本文利用瑞典條分法和有限元仿真計(jì)算兩種方式對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并基于計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的支護(hù)方案，最后通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了支護(hù)方案的有效性。

1 工程概述

某高速公路K87+200～K87+320段路基下邊坡坡度高度約為46～52 m，邊坡坡度約42°～54°，邊坡表層土體主要以粉質(zhì)粘土為主，個(gè)別區(qū)域存在裸露的風(fēng)化巖。邊坡頂部為設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，雙向八車(chē)道的高速公路。由于該邊坡所在區(qū)域降水量較大，再加上邊坡坡度較陡、地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，邊坡受車(chē)輛荷載擾動(dòng)等多方面因素，極易發(fā)生邊坡滑塌，因此需要對(duì)該道路下邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，并根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)提出合理的邊坡治理措施。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知，本邊坡從上至下可以分為粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化凝灰熔巖、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖和中風(fēng)化凝灰熔巖4個(gè)地層，各地層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of each layer土類(lèi)名稱(chēng)與錨固體阻力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力/kPa重度/(kN·m-3)中風(fēng)化凝灰熔巖9829.432.3421.07強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖88.227.4429.420.09全風(fēng)化凝灰熔巖68.625.4828.9118.62粉質(zhì)粘土4924.527.4417.64

2 基于瑞典條分法的邊坡穩(wěn)定性分析

本文選取的穩(wěn)定分析對(duì)象為下邊坡最高處，此處樁號(hào)為K87+260，邊坡坡高約為52 m，由于此處邊坡為粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，本邊坡安全系數(shù)需大于1.35。

本文基于瑞典條分法對(duì)邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，該方法在研究近似圓弧滑動(dòng)面邊坡穩(wěn)定領(lǐng)域應(yīng)用較廣、精度較高[11-14]。本文基于理正軟件對(duì)K87+260處下邊坡的極限力學(xué)平衡狀態(tài)分析計(jì)算，具體見(jiàn)表2、表3。

根據(jù)理正軟件可知，最不利滑動(dòng)面的半徑為86.788 m，滑動(dòng)面的圓心為(-8.012，86.760)，安全系數(shù)為1.241，小于1.35。說(shuō)明該邊坡的安全性較差，在降雨、人為擾動(dòng)等情況下，易發(fā)生邊坡滑塌事故。

表2 坡面線(xiàn)段數(shù)Table 2 Number of slope line segments坡面線(xiàn)號(hào)水平投影/m豎直投影/m超載數(shù)140.1827.44024.900031.471.960411.769.80050.001.96067.8400

表3 計(jì)算條件Table 3 Calculation conditions圓弧穩(wěn)定分析方法穩(wěn)定計(jì)算目標(biāo)滑動(dòng)方向與土條重切向分力反向時(shí)條分法土條寬度/m搜索時(shí)圓心步長(zhǎng)/m搜索時(shí)半徑步長(zhǎng)/m瑞典條分法自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面當(dāng)抗滑力對(duì)待110.5

3 基于Midas-GTS的邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型的建立

Midas-GTS軟件憑借功能豐富、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在巖土領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛，本文選用該軟件建立二維有限元模型。本次仿真計(jì)算選用摩爾-庫(kù)倫彈塑性材料模型[15-16]，共有2 436個(gè)單元和1 042個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體如圖1所示。邊坡從上到下分別為粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖和中風(fēng)化凝灰熔巖，其彈性模量分別為110 060、447 000、578 000 kPa。

圖1 有限元模型Figure 1 Finite element model

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得應(yīng)力云圖如圖2所示。根據(jù)圖2(a)可知，在X方向上，邊坡坡體內(nèi)部以壓力為主。其中坡腳處的壓力值最大，隨著高度的升高，壓力值越來(lái)越小，坡頂處的壓力值最小，坡頂處的部分區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為57.2 kPa。拉應(yīng)力值的出現(xiàn)主要原因?yàn)槭苓吰伦冃位瑒?dòng)的影響出現(xiàn)了張拉應(yīng)力。根據(jù)圖2(b)可知，在Y方向上的壓應(yīng)力分布規(guī)律與X方向上基本相同，即整體上邊坡內(nèi)的應(yīng)力以壓力為主，坡腳處壓應(yīng)力最大，沿著坡腳坡頂方向不斷減小，坡頂?shù)牟糠謪^(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得位移等值線(xiàn)云圖如圖3所示。根據(jù)圖3(a)可知，在X方向上，邊坡坡面上存在一個(gè)通過(guò)坡腳的圓弧滑動(dòng)面，最大橫向位移出現(xiàn)在距離坡腳10 m的位置，最大位移值為19.26 cm。根據(jù)圖3(b)可知，在Y方向上，邊坡整體上均存在向下移動(dòng)的位移和趨勢(shì)，其中豎向位移的最大值出現(xiàn)在坡頂處，為15.62 cm。坡腳處由于擠壓作用產(chǎn)生了隆起，隆起位移值約為5.021 cm。根據(jù)圖3(c)可知，在XY方向上，整個(gè)邊坡存在向下的位移，其中位移較大的位置為圓弧型，最大位移為19.86 cm。因此整個(gè)公路下邊坡存在向外滑移的趨勢(shì)，其中坡腳附近的位移值最大，最容易產(chǎn)生滑移。

(a) X方向

(b) Y方向

(a) X方向

(b) Y方向

(c) XY方向

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得最大應(yīng)變等值云圖如圖4所示。由圖可知，邊坡的最大應(yīng)變?cè)茍D與應(yīng)力云圖較為相似，其中滑動(dòng)面為通過(guò)坡腳的圓弧型。因此可知基于有限元分析法得出的滑動(dòng)面形狀與瑞典條分法得出的結(jié)論基本相同。

圖4 最大應(yīng)變等值云圖Figure 4 Maximum strain equivalent cloud map

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，本邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.309，小于規(guī)范規(guī)定的1.35。因此邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，易發(fā)生邊坡滑移的事故。

4 邊坡治理方案

基于瑞典條分法和有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合本項(xiàng)目的工程特征，提出了如下邊坡治理方案：清理邊坡后進(jìn)行掛鋼筋網(wǎng)錨噴支護(hù)，并增設(shè)截水溝、排水溝等排水設(shè)施，最后進(jìn)行邊坡綠化工作。具體為：

a.對(duì)邊坡坡面進(jìn)行清理修整，清理邊坡坡面的雜草、石塊等。

b.邊坡開(kāi)挖清理后，先素噴混凝土厚15 cm對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)，再按設(shè)計(jì)放樣掛網(wǎng)錨桿位置,采用壓力注漿錨桿鉆孔并灌注M30水泥砂漿；錨桿巖面外露10 cm，掛Φ6.5@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)。錨桿為Φ32壓力注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度為12 m，錨桿間距為1.5 m×1.5 m，呈梅花形布置。在坡面上設(shè)置坡面泄水孔，鉆孔直徑75 mm，孔深2 m，間距3 m，梅花形布置；孔口采用50 mm直徑PVC塑料排水管，孔口管長(zhǎng)30 cm。在掛網(wǎng)錨噴支護(hù)坡面每10 m應(yīng)設(shè)置伸縮縫,縫寬2 cm,并用瀝青麻絮填塞。

c.設(shè)置排水系統(tǒng)，在邊坡坡頂處設(shè)置梯形截水溝，尺寸為底寬:0.8 m×頂寬:1.2 m×高:0.8 m；在坡腳處設(shè)置矩形排水溝，尺寸為：高0.5 m×寬0.5 m；在坡面上設(shè)置跌水井，尺寸為：高0.6 m×寬0.6 m；在馬道處設(shè)置矩形馬道排水溝，尺寸為：高0.4 m×寬0.4 m。上述排水設(shè)施的材料均為C15混凝土。

d.植被綠化：根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥捞匦?，本工程選用當(dāng)?shù)靥俦局参镞M(jìn)行邊坡綠化。

基于理正軟件對(duì)支護(hù)后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果如下：總抗滑力：11 196 kN、總下滑力：8 239 kN。最不利滑動(dòng)面半徑71.098 m、滑動(dòng)圓心：(4.639，71.035)。安全系數(shù)：1.359>1.35，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文依托某高速公路下邊坡工程實(shí)例，分別利用基于理正軟件的瑞典條分法和Midas-GTS的有限元發(fā)對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明兩者的滑動(dòng)面基本一致。瑞典條分法的安全系數(shù)為1.241，而有限元法得到的安全系數(shù)為1.309，說(shuō)明瑞典條分發(fā)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。上述兩種方法計(jì)算得到的安全系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定的1.35，因此該邊坡處于欠穩(wěn)狀態(tài)，在降雨、車(chē)輛荷載等因素的擾動(dòng)下易發(fā)生邊坡滑塌事故。根據(jù)本邊坡特性，本文提出如下治理方案：清理邊坡后進(jìn)行掛鋼筋網(wǎng)錨噴支護(hù)，并增設(shè)截水溝、排水溝等排水設(shè)施，最后進(jìn)行邊坡綠化工作。最后基于理正軟件對(duì)支護(hù)后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，支護(hù)后的邊坡的安全系數(shù)為1.359，符合規(guī)范要求，說(shuō)明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。