樁錨加固對(duì)庫(kù)岸邊坡影響的數(shù)值研究

丁 欣

(濟(jì)寧市水利工程施工公司，山東 濟(jì)寧，272100)

引言

庫(kù)岸公路邊坡由于庫(kù)水位的上升和下降會(huì)導(dǎo)致公路路面開(kāi)裂和庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題。針對(duì)庫(kù)岸邊坡問(wèn)題已有學(xué)者做了大量研究，劉博等[1]就非飽和土的獨(dú)有性質(zhì)使用了有限元分析的方法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析；謝新宇等[2]利用有限元軟件基于浙江某高速公路路段的水庫(kù)水位變化對(duì)邊坡?lián)跬翂Φ姆€(wěn)定性進(jìn)行了研究分析；陳東輝[3]采用數(shù)值分析方法在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等方面對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析；常中華等[4]以三峽某邊坡為實(shí)例就不同的邊坡類(lèi)型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特征分析并提出了相應(yīng)的防治措施；在此基礎(chǔ)上，張艷嬌[5]基于三峽某工程實(shí)例詳細(xì)闡述了邊坡穩(wěn)定性的防護(hù)措施；劉行架等[6]研究分析了植被護(hù)坡在某邊坡工程中的應(yīng)用；朱蓓[7]就公路邊坡的加固技術(shù)進(jìn)行了探討，研究分析了錨加固、樁加固、擋土墻加固等不同加固方案的優(yōu)劣并結(jié)合邊坡加固技術(shù)為不同地質(zhì)路段提供了相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)；王婧[8]采用數(shù)值模擬的方法研究分析了樁加固措施對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響并做了相關(guān)的參數(shù)分析。

綜上所述，有必要對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行研究。本文采用數(shù)值模擬的分析方法，研究分析了未加固、樁加固和錨加固三種不同工況在水庫(kù)水位的上升和下降過(guò)程中，庫(kù)岸坡體在滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律和特征。

1 工程概況

本研究選取云南省某區(qū)段二級(jí)公路為研究對(duì)象，公路里程范圍為K0+000～K32+500，由于該段公路路基位于當(dāng)?shù)啬乘畮?kù)庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)從而形成了庫(kù)岸路基。該段公路自通車(chē)以來(lái)，由于水庫(kù)水位變化影響，隨著水位的升降使得該段公路路基出現(xiàn)開(kāi)裂、坍塌、失穩(wěn)等病害，嚴(yán)重影響行車(chē)安全，該公路庫(kù)岸邊坡現(xiàn)狀如圖1所示。本文針對(duì)路基邊坡出現(xiàn)的土體變形和路面開(kāi)裂等問(wèn)題，采用數(shù)值模擬分析方法對(duì)其邊坡病害進(jìn)行分析及加固處理。表1為該公路路段各種病害情況以及相應(yīng)的防治措施。

表1 公路路段病害防治措施

2 模型介紹

2.1 模型建立

根據(jù)該公路的具體地質(zhì)情況，選擇了具有代表性的庫(kù)岸邊坡進(jìn)行建模分析。邊坡模型如圖2所示，該公路路面高度為100m，寬度為7.5m，公路下部庫(kù)岸邊坡主要由不同級(jí)配的厚碎石土覆蓋層和基巖組成，其高度為50m，坡度為40°，公路上部庫(kù)岸邊坡高度為35m，坡度為40°。將該公路路段加固位置設(shè)置在公路下方庫(kù)岸邊坡水位變化區(qū)域以確保更好地處理水位變化引起的邊坡穩(wěn)定性影響。采用邊坡常用的錨加固和樁加固兩種加固方式進(jìn)行加固。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，錨加固和樁加固中的錨桿單元與樁單元均采用結(jié)構(gòu)梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。本研究選取公路庫(kù)岸邊坡高程分別為85m、95m、104m三個(gè)特征點(diǎn)來(lái)研究邊坡加固前后土體特性，其觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)如表2所示。當(dāng)高程為85m時(shí)，模擬庫(kù)水的死水位；當(dāng)高程為104m時(shí)，模擬庫(kù)水的正常水位。在模擬計(jì)算過(guò)程中僅考慮坡體自重和水庫(kù)的水位變化，不考慮降雨和地下水位的影響。

圖2 邊坡模型

表2 各特征點(diǎn)點(diǎn)號(hào)及坐標(biāo)

2.2 模型參數(shù)選取

結(jié)合該工程的實(shí)際地質(zhì)概況和勘測(cè)資料給出了碎石土層和邊坡基巖的相關(guān)材料參數(shù)。此外，還給出了有限元分析中錨固區(qū)和樁加固區(qū)域的材料參數(shù)，詳細(xì)模型參數(shù)取值如表3所示。

表3 邊坡材料參數(shù)取值

3 結(jié)果分析

3.1 滲流分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到了未加固和加固后兩種不同工況下邊坡的滲流變化情況。圖3為61d時(shí)未加固、錨加固、樁加固不同工況下的滲流變化云圖，表4為不同時(shí)刻浸潤(rùn)線位置坐標(biāo)情況表。由圖3和表4可知，當(dāng)未加固且水位在正常水位以下時(shí)，滲流矢量的方向是由水庫(kù)側(cè)指向山體側(cè)的，由于水頭差的形成導(dǎo)致了滲流的發(fā)生。隨著水流的滲入，浸潤(rùn)線位置不斷上升，從而導(dǎo)致與庫(kù)水位上升之間發(fā)生滯后效應(yīng)，距離坡面越遠(yuǎn)，滯后效應(yīng)越明顯。當(dāng)水位上升到正常水位后，滲流場(chǎng)持續(xù)變化直至與正常水位持平。如圖3(b)所示，在進(jìn)行錨加固后，滲流方向發(fā)生了改變，這是由于在水位上升到錨加固的區(qū)域后邊坡的土體滲透系數(shù)減小了，因此阻礙了邊坡內(nèi)部滲流的形成，使得當(dāng)水位下降至死水位后，在注漿區(qū)和未注漿區(qū)均會(huì)出現(xiàn)浸潤(rùn)線，這是錨固區(qū)內(nèi)水流速度較慢造成的。在250d時(shí)刻錨加固部分區(qū)域浸潤(rùn)線位置比未加固時(shí)低；在300d時(shí)刻兩者浸潤(rùn)線位置接近。在進(jìn)行樁加固后，與錨加固類(lèi)似，樁體的滲透系數(shù)較小使得滲流速度減慢。兩者對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)進(jìn)行錨加固后邊坡的滲流速度更慢，因此錨加固要比樁加固有更好的阻滲效果。

(a)未加固 (b)錨加固 (c)樁加固

表4 不同時(shí)刻浸潤(rùn)線位置坐標(biāo)

3.2 位移分析

選取高程85m、95m各特征點(diǎn)的X和Y方向位移曲線來(lái)研究分析在庫(kù)水位變化過(guò)程中未加固、錨加固、樁加固情況下庫(kù)岸邊坡位移的變化特征。

3.2.1 高程85m處各特征點(diǎn)的X方向位移

圖4為由水位變化過(guò)程中未加固、錨加固、樁加固情況下85m處各特征點(diǎn)的水平位移數(shù)值圖。如圖4(a)所示，當(dāng)未加固時(shí)，180d時(shí)刻前，隨著庫(kù)水位上升，岸坡坡體位移值隨著庫(kù)水位的上升而增大，最大位移可達(dá)到0.075m，隨后各點(diǎn)X方向位移又朝水庫(kù)方向減小，當(dāng)水庫(kù)水位與死水位持平時(shí)，坡體位移變化幅度不大。圖4(b)為樁加固后坡體X方向位移變化曲線圖，由圖可知，岸坡各點(diǎn)X方向位移值隨庫(kù)水位上升而增大，隨著水位的下降而減小，當(dāng)水庫(kù)水位穩(wěn)定時(shí)，坡體位移也相對(duì)穩(wěn)定。與未加固相比可知樁加固使各點(diǎn)指向坡體內(nèi)側(cè)的變形增大，指向水庫(kù)的側(cè)向變形減小且不會(huì)產(chǎn)生向水庫(kù)方向的水平位移。由圖可知，錨加固后坡體各點(diǎn)X方向位移在正常水位是保持不變的，隨著水位的上升而增加，隨著水位的下降而減小且不會(huì)產(chǎn)生負(fù)向位移。與未加固時(shí)相比可知錨加固使各點(diǎn)水位變化過(guò)程中指向坡體內(nèi)側(cè)的變形增大且隨庫(kù)水位變化相對(duì)平緩。由圖4(c)和(d)對(duì)比可知施加600kN預(yù)應(yīng)力和施加300kN預(yù)應(yīng)力后的坡體水平位移變化趨勢(shì)基本一致，前者在數(shù)值上略大一些，因此可以說(shuō)明施加預(yù)應(yīng)力越大不一定控制水平越好。對(duì)比錨加固和樁加固后的坡體位移變化圖不難發(fā)現(xiàn)，隨水庫(kù)水位的不斷變化，錨加固比樁加固產(chǎn)生的坡體X方向位移要小，即錨加固效果更好，使得路面和邊坡位移變化更均勻。

時(shí)間/d

3.2.2 高程95m處各特征點(diǎn)的Y方向位移

圖5為水位變化過(guò)程中未加固、錨加固、樁加固情況下95m處各特征點(diǎn)的豎向位移數(shù)值圖。如圖5(a)所示，未加固時(shí)，當(dāng)水庫(kù)水位上升時(shí)，隨著庫(kù)水位上升岸坡坡體發(fā)生的隆起變形值不斷增大，當(dāng)水庫(kù)水位下降時(shí)，坡體還會(huì)產(chǎn)生一定的沉降變形，即隆起變形不斷減小，沉降變形不斷增大；當(dāng)水庫(kù)水位與死水位持平時(shí)，坡體的沉降變形開(kāi)始緩慢增加，最終趨于穩(wěn)定。在180d后，各點(diǎn)隆起值不斷恢復(fù)，部分觀察點(diǎn)還會(huì)產(chǎn)生負(fù)向位移，即沉降值。由圖5(b)可知，岸坡各點(diǎn)Y方向位移值隨庫(kù)水位上升而發(fā)生隆起變形，隨著水位的下降而發(fā)生沉降變形，當(dāng)水庫(kù)水位穩(wěn)定時(shí)，坡體位移也相對(duì)穩(wěn)定。與未加固相比可知樁加固使各點(diǎn)隆起和沉降的位移變形值均減小。錨加固后坡體各點(diǎn)X方向位移在正常水位是保持不變的，隨著水位的上升坡體Y方向產(chǎn)生隆起位移，隨著水位的下降坡體Y方向產(chǎn)生沉降位移，當(dāng)水庫(kù)水位達(dá)到死水位后坡體位移不再發(fā)生改變。由圖5(c)和(d)對(duì)比可知施加600kN預(yù)應(yīng)力比施加300kN預(yù)應(yīng)力后的坡體產(chǎn)生的Y方向位移大，即施加300kN預(yù)應(yīng)力進(jìn)行錨加固效果較好。對(duì)比錨加固和樁加固的效果可得到X方向相同的結(jié)論。

時(shí)間/d

3.3 應(yīng)力分析

計(jì)算分析未加固、錨加固、樁加固不同工況下的庫(kù)岸邊坡應(yīng)力變化特征，選取高程104m作為研究對(duì)象分析水位變化對(duì)加固前后坡體最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的影響。

3.3.1 最大主應(yīng)力

選取高程104m時(shí)的各特征點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)對(duì)比分析加固前后最大主應(yīng)力變化曲線變化特征。如圖6(b)所示，樁加固后，各特征點(diǎn)坡體的最大主應(yīng)力總體變化不明顯，對(duì)比未加固的情況，樁加固后坡體最大主應(yīng)力的最大值減小。錨加固后各特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力均較未加固時(shí)減小，且施加300kN預(yù)應(yīng)力的情況下最大主應(yīng)力減小更明顯。

時(shí)間/d

3.3.2 最小主應(yīng)力

選取高程104m時(shí)的各特征點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)對(duì)比分析加固前后坡體最小主應(yīng)力變化曲線變化特征。如圖7(b)所示，樁加固后，各特征點(diǎn)坡體的最小主應(yīng)力隨水庫(kù)水位的改變較未加固時(shí)變化幅度不大，樁加固后最小主應(yīng)力受水位變化的影響較未加固情況受水位變化的影響小，變化幅度不大，總體變化不明顯。由圖可知，錨加固后也可得到相似的結(jié)論，因此兩種不同加固形式對(duì)比未加固的情況可發(fā)現(xiàn)，加固后坡體的最小主應(yīng)力受水位變化影響較小。

時(shí)間/d

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值研究方法研究分析了某公路路段水庫(kù)水位變化對(duì)未加固、樁加固和錨加固不同工況下的滲流場(chǎng)位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

(1)坡體浸潤(rùn)線的位置會(huì)隨著水庫(kù)水位的變化速度、土體滲透系數(shù)和距離坡面的位置的不同而產(chǎn)生不同程度的滯后現(xiàn)象，當(dāng)加固區(qū)域內(nèi)滲透系數(shù)相對(duì)較小時(shí)滯后現(xiàn)象會(huì)更加明顯。對(duì)比樁加固和錨加固兩種不同加固方式可發(fā)現(xiàn)錨加固的阻滲效果更好。

(2)坡體加固后，在水庫(kù)水位的變化過(guò)程中坡體的X方向和Y方向位移均有所減小使得路面難以發(fā)生開(kāi)裂情況。其中施加300kN預(yù)應(yīng)力錨加固工況下的坡體位移最小；施加600kN預(yù)應(yīng)力錨加固的情況次之；樁加固的效果最差。

(3)樁加固后，坡體最大主應(yīng)力的最大值減??；錨加固后各特征點(diǎn)的最大主應(yīng)力均較未加固時(shí)減小，且施加300kN預(yù)應(yīng)力的情況下最大主應(yīng)力減小更明顯。在進(jìn)行錨加固和樁加固后，各特征點(diǎn)坡體的最小主應(yīng)力隨水庫(kù)水位的改變較未加固時(shí)變化幅度不大，總體變化不明顯。