預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡?lián)岆U(xiǎn)加固工程中的效果分析

李遠(yuǎn)娟，李恒之，楊樹(shù)平，金 晨，蔡源銘

(江西省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，江西 新余 338000)

中國(guó)近年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害主要以滑坡及崩塌為主，其中滑坡災(zāi)害占比達(dá)到74.5%[1]。在邊坡開(kāi)挖坡腳后，擾動(dòng)巖土體內(nèi)部應(yīng)力的分布，巖土體易生成張拉裂縫，在降雨入滲作用下，使得巖土體產(chǎn)生失穩(wěn)，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大損失。

在邊坡穩(wěn)定性分析中，極限平衡法在分析整體穩(wěn)定性時(shí)，通常會(huì)受到設(shè)計(jì)人員選取滑動(dòng)面及巖土參數(shù)參數(shù)的限制[2]；基于強(qiáng)度折減法的有限元數(shù)值模擬法，不需要滑面位置及形狀的假定條件，能客觀評(píng)價(jià)坡體受力變形及失穩(wěn)狀態(tài)的變化情況[3-4]。

預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)作為邊坡一種主動(dòng)加固手段，在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用[5]，在被加固隱患體部位鉆孔、下錨索并注漿產(chǎn)生壓應(yīng)力及錨索摩擦力，使滑體產(chǎn)生的下滑力轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定的滑床中，有效地改善了邊坡的穩(wěn)定性，從而達(dá)到了加固的作用[6]。因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力錨索價(jià)格便宜且施工方便，能夠產(chǎn)生較明顯的經(jīng)濟(jì)效益，所以預(yù)應(yīng)力錨索被廣泛的應(yīng)用于治理工程施工中[7-8]。

本文選用ABAQUS大型有限元軟件，選取典型剖面對(duì)某邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬與研究[9-10]，通過(guò)對(duì)該邊坡無(wú)樁無(wú)錨索、有樁無(wú)錨索及有樁有錨索不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，得出該邊坡的支護(hù)方案，最終利用錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果同數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，本文研究成果可為邊坡加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某滑坡由于村民坡腳切坡建房而成，在未經(jīng)工程治理的情況下，滑坡已發(fā)生多次滑移?，F(xiàn)滑坡隱患體寬約300m，坡高8～50m?，F(xiàn)滑坡中部已出現(xiàn)裂縫，開(kāi)裂處高度約14m，寬約28m，主滑坡坡寬約80m，高約25m，滑坡傾向西北，坡度40°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)：滑坡后緣發(fā)現(xiàn)多條張拉裂縫，寬約0.2～0.5m，深度約1～4m，該滑坡為土質(zhì)滑坡，滑坡體表層為殘坡積粉質(zhì)黏土，為可塑狀，厚度1.0～3.0m，其下部為全風(fēng)化砂巖、粉砂巖。

1.2 原治理工程設(shè)計(jì)

根據(jù)該滑坡地質(zhì)災(zāi)害特征和危害的嚴(yán)重性，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、治理成本、技術(shù)可行性、施工便利性、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多方面因素，滑坡治理設(shè)計(jì)采用“削坡減載+抗滑樁+擋土墻+噴播綠化+截排水溝”的綜合治理方式，如圖1所示，抗滑樁截面尺寸為1.0m×1.5m，樁中心距3.0m，滑床以下錨固深度7～9m。

圖1 滑坡治理設(shè)計(jì)圖

1.3 治理后現(xiàn)狀

按照設(shè)計(jì)方案對(duì)該邊坡進(jìn)行治理，由于雨季降雨入滲作用，邊坡出現(xiàn)垮塌，一級(jí)坡段下滑嚴(yán)重，所溢泥漿已漫過(guò)擋土墻前沿頂部，由于土體下滑冠梁中部處出現(xiàn)裸露現(xiàn)象；經(jīng)監(jiān)測(cè)，抗滑樁樁頂最大位移為6.9cm，超過(guò)規(guī)范[7]要求設(shè)計(jì)值6cm，目前抗滑樁仍有繼續(xù)傾斜的可能。

2 預(yù)應(yīng)力錨索的加固分析

預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡加固中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以最大限度的利用到巖土體的強(qiáng)度和潛力，加固巖體，可以改善擋土排樁受力，可以改變構(gòu)件內(nèi)力分布。

能夠最大程度的利用介質(zhì)的內(nèi)在強(qiáng)度和潛力，且能加強(qiáng)介質(zhì)的自承和自穩(wěn)能力是預(yù)應(yīng)力錨索在施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的前提。邊坡經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索加固后可以改變應(yīng)力狀態(tài)，而且可以提升的整體穩(wěn)定性和抗剪強(qiáng)度[8-9]。

邊坡體滑面上的應(yīng)力以及穩(wěn)定性隨著錨固力的作用而提升，如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索受力分析圖

Pl為預(yù)應(yīng)力錨索的錨固力增加的抗滑阻力增量，由計(jì)算得出[4]：

Pl=Pwtanφ+Pm=Pd[sin(α+β)+cos(α+β)]

(1)

τ=σ+σtgφ

(2)

從上述可知，所加固邊坡的穩(wěn)定性可以通過(guò)滑動(dòng)面所產(chǎn)生的抗滑阻力Pw以及正應(yīng)力Pm來(lái)提高潛在滑動(dòng)面的摩阻力來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。預(yù)應(yīng)力錨索主要力學(xué)作用是阻止巖土體的剪切破壞，增加了巖土體的整體強(qiáng)度和滑動(dòng)面的抗摩阻力，增加邊坡穩(wěn)定性。

3 加固方案的確定及計(jì)算模型的建立

3.1 加固方案的確定

經(jīng)過(guò)參考相關(guān)規(guī)范要求及工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：加固錨索采用3束A15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其設(shè)計(jì)承載力為3960MPa，錨孔設(shè)計(jì)直徑為130mm，傾角15°，采用一樁一錨進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

3.2 計(jì)算模型的建立

選用ABAQUS大型有限元軟件，選取代表性斷面對(duì)該邊坡進(jìn)行建模分析，本構(gòu)采用經(jīng)典Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則和關(guān)聯(lián)和流動(dòng)法則。有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。邊坡單元采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元(CPE4)。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料參數(shù)

圖3 模型計(jì)算網(wǎng)格

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 支護(hù)前數(shù)值模擬分析(無(wú)支護(hù)情況下)

在對(duì)邊坡進(jìn)行削坡后，不進(jìn)行支護(hù)，通過(guò)軟件計(jì)算得出的位移等值線云圖如圖4所示。通過(guò)強(qiáng)度折減算法驗(yàn)算得出的自然狀態(tài)下的塑性應(yīng)變區(qū)域如圖5所示，即潛在滑移面。該邊坡在無(wú)支護(hù)情況下坡體最大水平位移可達(dá)51.26cm，其安全系數(shù)為1.02，不滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)的安全系數(shù)1.3的要求。

圖4 無(wú)支護(hù)情況下坡體水平變形矢量圖

圖5 坡體塑性應(yīng)變圖

4.2 支護(hù)后數(shù)值模擬分析(有樁無(wú)錨索)

當(dāng)原邊坡處于自然狀態(tài)下的時(shí)候，其安全系數(shù)不高，當(dāng)對(duì)邊坡進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)工程，邊坡的安全系數(shù)可以得到有效的提升，由此滿足坡體穩(wěn)定性要求。在坡腳設(shè)計(jì)5m擋土墻，在一級(jí)平臺(tái)處設(shè)計(jì)抗滑樁，抗滑樁截面尺寸為1.0m×1.5m，樁中心距3.0m，滑床以下錨固深度7～9m。

邊坡的c、φ值會(huì)跟著場(chǎng)變量的改變而改變，相應(yīng)模型會(huì)在位移量突變時(shí)而破壞。從圖6可以看出，邊坡的滑移面已經(jīng)貫通。通過(guò)分析坡腳處水平位移隨場(chǎng)變量的變化，以位移的拐點(diǎn)作為選擇安全系數(shù)的依據(jù)，其安全系數(shù)為1.32，計(jì)算結(jié)果顯示抗滑樁在水平位移可達(dá)27.08cm，如圖7所示。

圖6 坡體塑性應(yīng)變圖

圖7 樁體水平變形矢量圖

4.3 加固后數(shù)值模擬分析(有樁有錨索)

治理后的抗滑樁變形過(guò)大，在既有邊坡治理的基礎(chǔ)上對(duì)邊坡實(shí)施加固，以提高邊坡穩(wěn)定性要求[10]。每樁設(shè)3束A15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線。框架梁采用B21梁?jiǎn)卧?，預(yù)應(yīng)力錨索采用T2D2桁架單元；框架梁與坡體、框架梁與錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索之間采用Tie約束；預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿與坡體之間均采用Emb約束，加固后坡體的潛在滑動(dòng)面如圖8所示。

圖8 坡體塑性應(yīng)變圖

抗滑樁及錨索應(yīng)力及水平變形云圖如圖9所示。

圖9 抗滑樁+錨索水平位移云圖

由圖9可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)錨索進(jìn)行加固后，坡體的塑性區(qū)域和滑動(dòng)面都有了一定的增加；計(jì)算結(jié)果顯示，錨索最大軸力436.9kN，此時(shí)抗滑樁在水平位移為12.97cm，加固后的坡體的安全系數(shù)達(dá)到1.42，較大地增加了坡體的穩(wěn)定性。

4.4 加固后檢測(cè)及結(jié)果分析

為客觀準(zhǔn)確反映錨索抗拔力，對(duì)錨索進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)采用循環(huán)加載法，測(cè)試工具選用為L(zhǎng)DZ-200型錨桿錨索拉拔計(jì)，測(cè)試錨桿隨機(jī)抽樣3根錨桿，具體試驗(yàn)過(guò)程中的卸荷、加載、讀數(shù)等都是按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)中的附錄B中的B.2試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范要求來(lái)操作，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 荷載集度試驗(yàn)結(jié)果

由檢測(cè)結(jié)果可知，在120%荷載集度下，錨桿錨固力相對(duì)穩(wěn)定，在100%荷載集度下，錨索能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且和數(shù)值模擬結(jié)果436.9kN相近。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)變形的邊坡抗滑樁，采用預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，分析邊坡抗滑樁預(yù)應(yīng)力錨索加固的效果，主要結(jié)論如下。

(1)預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)控制既有抗滑樁變形和提高安全性具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并且可實(shí)現(xiàn)快速施工，減少邊坡下滑引起的進(jìn)一步變形。

(2)邊坡經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索加固后，邊坡的最大變形量大幅度減小、最大豎向位移有了一定的減小、最大塑性等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力也有了一定的減小，邊坡的塑性區(qū)域降低到很小的范圍。而且，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算后，穩(wěn)定安全系數(shù)為w=1.42，達(dá)到了預(yù)期邊坡加固的理想效果。