路塹高邊坡工程加固方案優(yōu)化及穩(wěn)定性評估

萬茂青

(保利長大工程有限公司 廣州 510000)

引言

近些年來，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到快速發(fā)展，高速公路建設(shè)逐漸向山區(qū)延伸，促進(jìn)了山區(qū)經(jīng)濟(jì)的有效增長，改善了當(dāng)?shù)鼐用竦某鲂袟l件。但是，在山區(qū)建設(shè)公路工程，遇到的邊坡穩(wěn)定性問題也在逐漸增多，實際工程中的滑帶土具有埋藏深、不宜準(zhǔn)確定位、取樣難度大、取樣擾動大等特性，往往很難通過現(xiàn)場試驗獲得準(zhǔn)確的巖體強度參數(shù)，因此，需要結(jié)合工程實際特點，采用相應(yīng)手段來獲取巖土體的抗剪強度參數(shù)，才能對邊坡的加固設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)支撐[1,2]。

高邊坡的穩(wěn)定性與巖土體的物理力學(xué)行為、自然環(huán)境因素以及工程加固措施息息相關(guān)，針對不同種類的巖土體，需要采取適合的工程加固方案[3,4]，在特殊工況下的邊坡穩(wěn)定性也需要做特殊考慮，因此，高邊坡的加固和穩(wěn)定性問題是一個復(fù)雜問題，需要根據(jù)具體工程實際情況做具體分析[5-7]。本文結(jié)合廣東某丘陵山地路塹高邊坡加固工程，在前人研究理論和工程實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對該高邊坡加固工程加固方案優(yōu)化前后的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了評估分析，以期能為類似高邊坡工程的設(shè)計施工提供借鑒。

1 工程概況

興寧至汕尾高速公路五華至陸河段項目起于梅州市五華縣安流鎮(zhèn)(K38+800)，設(shè)石下樞紐互通連接興寧至汕尾高速公路興寧至五華段，經(jīng)梅州市五華縣棉洋鎮(zhèn)、橋江鎮(zhèn)和揭陽市揭西縣上砂鎮(zhèn)、五云鎮(zhèn)，終于汕尾市陸河縣水唇鎮(zhèn)(K87+000.506)，設(shè)章塘樞紐互通與潮惠高速公路相接，項目路線全長48.21km，主線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度100km/h，整體式路基寬26m。K47+320～K47+430段路塹右側(cè)邊坡長110m，最大坡高62m。路塹開挖段主要位于低緩丘陵地貌區(qū)，地面起伏較大，地面標(biāo)高17～81m，自然坡腳約為40°，地表植被茂密，現(xiàn)有公路周邊多房屋、樹林，部分地段分布魚塘。受北東、北北東和北西向構(gòu)造帶的控制，該區(qū)形成了近南北方向展布的低山丘陵的地貌組合。

項目區(qū)多年平均氣溫為21.8℃，受海洋氣流調(diào)節(jié)，冬季氣候變化緩和，多年平均相對濕度為83%，多年平均蒸發(fā)量為1448.1mm，多年平均降雨量為2124mm。根據(jù)地質(zhì)勘探報告，邊坡主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和石炭系、泥盤系粉砂巖及其風(fēng)化層組成，從上往下地層依次為Qdl粉質(zhì)黏土、Qel粉質(zhì)黏土、D3m強風(fēng)化粉砂巖、D3m強風(fēng)化夾中風(fēng)化粉砂巖、D3m中風(fēng)化粉砂巖，以及D3m微風(fēng)化粉砂巖，粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈“X”型分布，巖層傾向為111°～121°，傾角為36°～44°，路塹邊坡開挖面傾向約120°。邊坡不同地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡土層形狀及其分布情況

2 邊坡設(shè)計方案及其穩(wěn)定性分析

2.1 設(shè)計方案

由于該段邊坡最大坡高為62m，故設(shè)計為6級高邊坡，每一級高邊坡高度約為10m，其中：第1、2級高邊坡的坡率為1∶0.75，第3、4、5級高邊坡的坡率為1∶1，第6級高邊坡的坡率為1∶1.2，相鄰兩級高邊坡之間的平臺寬度均為2m，邊坡最高處有一座電網(wǎng)輸電電塔。第1級高邊坡采用4排錨桿框梁加固，錨桿長度為8m，設(shè)計抗拔力大小為60kN；第2、3、4級高邊坡采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固，錨索的長度大小分別為20m、22m、24m，每排的錨固長度均為10m，設(shè)計抗拔力大小為400kN；第5、6級高邊坡采用框架植草防護(hù)進(jìn)行加固。邊坡加固設(shè)計方案見圖1。

圖1 邊坡加固設(shè)計方案

2.2 有限元模型

利用ABAQUS有限元分析軟件建立邊坡數(shù)值分析模型，巖體結(jié)構(gòu)采用四面體 CPE4單元和三角形 CPE3單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，錨桿和錨索采用T2D2 單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用EMBEED 功能將錨桿和錨索嵌入坡體，整個模型共包括3878個網(wǎng)格單元和3348個節(jié)點，見圖2。模型底部為固定邊界，同時對模型左右兩側(cè)進(jìn)行水平約束，模型上部為自由邊界，邊坡土體初始地應(yīng)力為巖體自重應(yīng)力，將坡頂豎向位移及坡腳水平位移速率發(fā)生突變作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)[8]。

圖2 數(shù)值分析模型

模型分析過程中采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，并利用強度折減法對巖土體強度參數(shù)進(jìn)行修正。根據(jù)數(shù)值分析情況與特征點監(jiān)測成果，確定自然條件下初始強度參數(shù)的強度折減系數(shù)為0.95；根據(jù)眾多研究表明，飽水條件黏聚力僅為自然狀態(tài)下的35%～55%，內(nèi)摩擦角僅為自然狀態(tài)下的75%～82%，結(jié)合現(xiàn)場巖土體的風(fēng)化程度和節(jié)理裂隙發(fā)育情況，將降雨條件下的邊坡內(nèi)聚力定為反演參數(shù)的46%，內(nèi)摩擦角定為反演參數(shù)的79%[9,10]；預(yù)應(yīng)力錨索的彈性模量取值為1.95×106MPa，泊松比為0.3，重度為78kN·m-3，初始預(yù)應(yīng)力大小為400MPa，錨桿的彈性模量取值為2.10×106MPa，泊松比為0.3，重度為78kN·m-3。不同情景下巖土體的強度參數(shù)情況見表2。

表2 不同情景下巖土體強度參數(shù)取值情況

2.3 穩(wěn)定性分析

數(shù)值模擬分析得到的自然和降雨飽水狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性情況見圖4。從圖中可以看到：自然工況下，邊坡塑性應(yīng)變分布區(qū)較小，降雨飽水工況下，邊坡的塑性應(yīng)變分布區(qū)明顯增大，特別是3～6級高邊坡處的塑性應(yīng)變區(qū)增加較大，安全系數(shù)從自然狀態(tài)下的1.25下降至降雨飽水狀態(tài)下的1.08，表明邊坡處于危險狀態(tài)，而且不管是自然工況還是降雨飽水工況，各級邊坡的加固錨桿和錨索均未穿過最危險的塑性應(yīng)變區(qū)，因此無法為邊坡提供足夠有效的錨固抗滑力，邊坡很容易發(fā)生失穩(wěn)，故而需要對邊坡加固方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖3 邊坡加固方案下塑性應(yīng)變分布情況

3 加固方案優(yōu)化設(shè)計及穩(wěn)定性分析

3.1 方案調(diào)整設(shè)計

造成邊坡失穩(wěn)的主要因素在于粉砂巖遇水后強度顯著降低，導(dǎo)致原邊坡加固方案在降雨飽水工況下的安全系數(shù)較低，同時加固錨桿和錨索未對塑性應(yīng)變區(qū)起到加固作用，因而邊坡在持續(xù)降雨下易出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。為此，需要在綜合考慮工期、安全、造價以及耐久性等因素基礎(chǔ)上，結(jié)合支檔工程、排水工程的治理措施，提出如下滑坡加固優(yōu)化方案：

(1)將原設(shè)計方案的6級高邊坡加固方案改為7級高邊坡加固方案，其中：第1級高邊坡的坡率為1∶1，第2、3級高邊坡的坡率為1∶1.25，第4、5級高邊坡的坡率為1∶1.5，第6、7級高邊坡的坡率為1∶1.75，每級高邊坡坡高均為10m左右；

(2)分別在第2級和第4級高邊坡坡頂設(shè)置8m和14m寬的平臺，其余各級邊坡平臺寬度均為2m；

(3)1級邊坡視情況采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框梁(RRK4+320～RRK4+370段)或4排錨桿格梁(RRK4+370～RRK4+430)進(jìn)行加固，錨索和錨桿長度分別為18m(錨固長度為10m)和11.5m；在一級邊坡坡腳上1m處設(shè)置一排孔徑為13cm、長為20m、仰角為6°、間距為6m的仰斜排水孔，并在排水孔內(nèi)填充硬式透水管。

(4)第2、3級邊坡與1級邊坡加固方案相似，只是錨索和錨桿長度分別為22m(錨固長度為10m)和11.5m。

(5)4級高邊坡采用6cm客土噴播進(jìn)行防護(hù)。

(6)5級高邊坡采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框梁進(jìn)行加固，錨索長度為22m(錨固長度為10m)。

(7)第6、7級邊坡均采用三維網(wǎng)植草進(jìn)行防護(hù)。

(8)各級邊坡錨索設(shè)計預(yù)應(yīng)力大小為400kN，錨固角度大小為25°；各級邊坡錨桿設(shè)計抗拔力大小為120 kN，錨固角度大小為20°。

(9)遷移原坡頂處的輸電電塔，將坡口線向塹頂后緣延伸形成反坡，降低降雨工況對高邊坡的穩(wěn)定性影響。

3.2 穩(wěn)定性分析

同理，采用數(shù)值模擬方式對加固方案優(yōu)化后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。從圖中可以看到，經(jīng)優(yōu)化加固方案后，邊坡的塑性應(yīng)變區(qū)向坡面處靠近，且塑性應(yīng)變區(qū)的面積及應(yīng)變量均較優(yōu)化前有較大幅度降低，特別是當(dāng)邊坡處于降雨工況下時，邊坡塑性應(yīng)變區(qū)面積和位移變形量增幅均較小(降雨工況下最大邊坡位移量小于6mm)，這主要得益于預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿的錨固長度均穿過了潛在危險區(qū)，使得滑移帶得到有效加固，從而提升邊坡的安全穩(wěn)定性，在自然和降雨工況下的邊坡安全系數(shù)分別達(dá)到1.43和1.21，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明優(yōu)化設(shè)計后的路塹高邊坡工程加固方案合理可行。

圖4 邊坡優(yōu)化加固方案下塑性應(yīng)變分布情況

4 結(jié)論

本文基于興寧至汕尾高速公路五華至陸河段某路塹高邊坡加固工程為例，采用理論分析+數(shù)值模擬的方式對該高邊坡工程的加固方案進(jìn)行探討，結(jié)果表明：(1)原設(shè)計6級高邊坡加固方案下，邊坡在自然和降雨飽水工況下的安全系數(shù)分別為1.25和1.08，預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿未對邊坡滑移帶起到明顯的加固作用；(2)對原設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，將6級高邊坡加固方案調(diào)整為7級高邊坡加固方案，結(jié)合支擋工程和排水工程措施，同時放緩邊坡坡度，將坡口線向塹頂后緣延伸形成反坡；(3)調(diào)整優(yōu)化過后的邊坡在自然和降雨飽水工況下的安全系數(shù)分別為1.43和1.21，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明優(yōu)化設(shè)計后的路塹高邊坡工程加固方案合理可行。