某高速公路路塹高邊坡支護(hù)方案及優(yōu)化

邢培營(yíng)

(廣東省公路建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510623)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,高速公路工程的建設(shè)里程逐年增長(zhǎng),而我國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜,在大型邊坡治理工程中高邊坡的支護(hù)和加固往往成為公路工程建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)之一。

在對(duì)邊坡的研究中,顧婕[1]研究了加筋土邊坡的穩(wěn)定性,基于強(qiáng)度折減法,應(yīng)用有限元軟件分析了邊坡的幾何參數(shù)、加筋土參數(shù)、土體強(qiáng)度等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響大小的因素依次為土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、筋材長(zhǎng)度、筋材間距;高馮[2]等研究了單面和雙面邊坡的穩(wěn)定性,在坡體的各個(gè)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的分析中得出單面、雙面邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的影響特征規(guī)律;馬蓓青[3]等對(duì)黃土邊坡在持續(xù)降雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,采用FLAC3D對(duì)降雨工況進(jìn)行了模擬,研究結(jié)果表明降雨時(shí)間的增加使得黃土邊坡含水量增加,土體的強(qiáng)度降低,沖蝕溝發(fā)育,坡腳出現(xiàn)坍塌、坡頂出現(xiàn)裂縫;葉志程[4]等采用MIDAS/GTS軟件對(duì)自然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)、地震狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,針對(duì)各工況下邊坡穩(wěn)定性的情況對(duì)潛在滑動(dòng)面采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行加固,使得邊坡的穩(wěn)定性達(dá)到了永久邊坡的要求;章瑞環(huán)[5]等對(duì)多級(jí)黃土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并給出了一種系統(tǒng)的分析方法,推導(dǎo)出邊坡在各工況下的安全系數(shù)的解析式,通過(guò)算例驗(yàn)證該方法的計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果偏差為5%,進(jìn)一步提升了邊坡穩(wěn)定性的分析精度;楊雪菲[6]等對(duì)干濕循環(huán)下的花崗巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)不同程度的干濕循環(huán)土體進(jìn)行模型試驗(yàn),得到了邊坡裂縫的發(fā)展規(guī)律,認(rèn)為干濕循環(huán)作用下裂隙的擴(kuò)展加快了水對(duì)土體的作用,邊坡失穩(wěn)的速度加快;羅戌[7]分析了類(lèi)土質(zhì)邊坡加固后邊坡坡體變形的特點(diǎn)及錨桿(索)應(yīng)力的變化特征。

邊坡穩(wěn)定性的研究一直在不斷發(fā)展,但我國(guó)地質(zhì)條件多變,往往在不同的工程條件下對(duì)邊坡的支護(hù)和加固不同,理論研究往往滯后于工程實(shí)際應(yīng)用。本文依托某高速公路路塹高邊坡工程,對(duì)邊坡支護(hù)方案下邊坡的穩(wěn)定性和變形等特性進(jìn)行分析,以期為工程實(shí)踐提供參考。

1 邊坡支護(hù)現(xiàn)狀

從邊坡的破壞機(jī)理來(lái)看,目前主要的邊坡支護(hù)措施可分為兩類(lèi):第一類(lèi)為減少邊坡的下滑力,減小邊坡的荷載,如降低坡頂荷載、加固坡腳堆載、減緩坡率等,常配合應(yīng)用一些臨時(shí)支護(hù)措施;第二類(lèi)為增加支護(hù)結(jié)構(gòu),增大滑坡的阻滑作用,提升邊坡的穩(wěn)定性,常作為永久性的邊坡結(jié)構(gòu)。

本文在邊坡支護(hù)中采用格構(gòu)梁、錨索抗滑樁等結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)加固?？够瑯逗透駱?gòu)梁都是在工程應(yīng)用中比較廣泛的工法,技術(shù)成熟,但在邊坡的支護(hù)中設(shè)計(jì)相對(duì)保守,容易造成資源的浪費(fèi)。本文采用錨索抗滑樁和格構(gòu)梁共同作用的方式對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)處理,分析該方案的邊坡穩(wěn)定性和變形規(guī)律。

2 工程概況

本文以某實(shí)際工程為背景進(jìn)行分析。某高速公路高邊坡路塹段地形復(fù)雜,高低不平,總體南北低、中部高。該路塹高邊坡位于路線(xiàn)樁號(hào)為K12+150.265～K12+265.123段,高邊坡工段長(zhǎng)約110m。設(shè)計(jì)路面標(biāo)高與自然邊坡高差較大,自然邊坡夾角較大,表層為發(fā)育良好的灌木。踏勘現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)不良的地質(zhì)現(xiàn)象,偶在坡面發(fā)現(xiàn)少量裂隙,不利于路塹邊坡的開(kāi)挖。地勘資料顯示,該區(qū)域基巖屬于白堊紀(jì)早世侵入巖,上覆蓋新生界第四系。擬建項(xiàng)目在K12+180橫斷面處坡面最高,該處的地層情況自上而下可分為5層,如圖 1中編號(hào)①～⑤所示。第①、②層為粉質(zhì)黏土,黃、灰色,含粉細(xì)砂,局部呈可塑、硬塑狀,厚度為6～9m;第③層為砂質(zhì)粘性土,紅褐、黃色,含中砂量較多,局部可見(jiàn)殘余巖塊,遇水軟化、崩解,厚度為2～3m;第④層為花崗巖殘積土,黃褐色,易軟化、崩解,厚度為7～8m;第⑤層為碎塊狀花崗巖,結(jié)構(gòu)清晰、碎塊狀,厚度為8～9m。

圖1 K12+180橫斷面(單位:m)

如圖 1所示,根據(jù)地勘資料和地層走向,對(duì)路塹高邊坡進(jìn)行支護(hù)處理,采用抗滑樁和格構(gòu)梁對(duì)邊坡進(jìn)行加固?？够瑯稑堕L(zhǎng)20.5m、樁徑1.5m,縱向間距為3.5m,埋入土層的深度為9m。采用3根錨索對(duì)抗滑樁施加預(yù)應(yīng)力。錨索分別位于抗滑樁樁頂每3m的間隔進(jìn)行設(shè)置,錨索與水平面的夾角為30°。錨索1和錨索2的預(yù)應(yīng)力為300kN,錨索3的預(yù)應(yīng)力為200kN。樁頂以上部分,采用坡率法進(jìn)行放坡處理,坡率為1∶1。坡面采用格構(gòu)梁和錨桿進(jìn)行處理,錨桿的預(yù)應(yīng)力均為70kN,與水平面的夾角為15°。錨桿和錨索均采用壓力分散型,保證錨索和錨桿的錨固作用。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 邊坡模型

針對(duì)本次邊坡的方案情況,選擇MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件對(duì)邊坡方案進(jìn)行分析。MIDAS/GTS軟件內(nèi)置多種本構(gòu)模型,在對(duì)復(fù)雜工況的模擬計(jì)算中應(yīng)用廣泛,其理論基礎(chǔ)與運(yùn)算模式得到了廣泛的認(rèn)可。為保障模型建立的合理性和有效性,本次建立的模型采用2D進(jìn)行模擬,模型結(jié)構(gòu)參考圖 1中所示的幾何尺寸。對(duì)土層的模擬采用平面應(yīng)變單元,本構(gòu)模型選用Mohr—Coulomb,格構(gòu)梁、抗滑樁、錨索、錨桿則采用1D結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬,本構(gòu)模型為彈性。其中錨索分別進(jìn)行自由段和錨固段的劃分,在錨固段施加預(yù)應(yīng)力,土層單元的參數(shù)參考地勘資料,各結(jié)構(gòu)單元和土層單元的網(wǎng)格密度均為1m。模型的參數(shù)見(jiàn)表1,計(jì)算模型如圖 2所示。

表1 模型參數(shù)

圖2 有限元模型

模型建立后首先對(duì)自然邊坡的狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù),初始地應(yīng)力平衡,再進(jìn)行模擬開(kāi)挖和實(shí)施支護(hù)措施。采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 邊坡穩(wěn)定性

對(duì)邊坡自然狀態(tài)的有效塑性區(qū)云圖進(jìn)行分析,如圖 3所示。

有效塑性區(qū)能夠反映邊坡土體的塑性狀態(tài),塑性區(qū)發(fā)育較大的區(qū)域?yàn)檫吰碌牟焕恢?土體容易受到破壞。由圖3可見(jiàn),自然狀態(tài)下邊坡坡腳處塑性區(qū)的發(fā)育最大,是邊坡最不利的位置。邊坡開(kāi)挖后,坡腳處的塑性區(qū)被挖除,此時(shí)的抗滑樁設(shè)置位置穿過(guò)塑性區(qū),樁頂?shù)钠旅嫦蛏涎由?阻礙了自然邊坡塑性區(qū)的發(fā)育。加固后經(jīng)過(guò)強(qiáng)度折減法的計(jì)算,邊坡的最終穩(wěn)定系數(shù)為1.65,符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)對(duì)高速公路路塹邊坡穩(wěn)定系數(shù)的要求。

圖3 邊坡有效塑性區(qū)云圖

邊坡的穩(wěn)定系數(shù)不能完全反映邊坡的穩(wěn)定情況,還應(yīng)對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)的位移變化情況進(jìn)行分析。本文對(duì)抗滑樁樁身的水平位移值進(jìn)行分析,如圖4所示。

圖4 樁身水平位移

由圖4可知,抗滑樁的樁身水平位移值呈上部大、下部小的變化形式,樁頂?shù)乃轿灰浦禐?3.5mm,樁底的水平位移值為2.5mm。自上而下呈斜“7”字形,水平位移的最大值位于樁身高度15m處,為15.3mm。樁身的這種變化曲線(xiàn)說(shuō)明在邊坡開(kāi)挖后,樁身位移隨樁身高度的增加而增大,但在樁身高度15m處出現(xiàn)拐點(diǎn)。這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力錨索為抗滑樁提供了一個(gè)作用于邊坡滑動(dòng)反向的錨固力,在錨索與抗滑樁的共同作用下,樁身上部的水平位移值有所減小,樁頂?shù)乃轿灰浦滴措S樁身高度的增加而持續(xù)增大,樁頂位移值得到了有效的限制。因此,預(yù)應(yīng)力錨索的實(shí)施,有利于限制樁頂?shù)乃轿灰?可在工程對(duì)樁頂水平位移有較高要求時(shí)起到良好的效果。

3.2.2 抗滑樁受力

對(duì)抗滑樁樁身的受力情況進(jìn)行分析,分為加錨索和不加錨索兩種工況進(jìn)行對(duì)比分析。圖 5所示為加錨索和不加錨索兩種工況下抗滑樁樁身的剪力變化情況。

由圖 5可知,在樁身的剪力變化中,加錨索與不加錨索兩種工況的剪力變化大致趨勢(shì)一致,均為兩端小、中間大。最大值均在樁身高度9m處,不加錨索的最大值為1 000kN,加錨索的最大值為630kN。由圖5可見(jiàn),不加錨索工況的剪力最大值和樁身0～6m范圍內(nèi)的剪力值均比有錨索的工況大,而加錨索工況的剪力值僅在樁身14～22m范圍內(nèi)的剪力值較大。樁身在施加錨索后,抗滑樁與錨索連接處受到預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力,使得樁身14～22m范圍內(nèi)的剪力值局部增大,但同時(shí)樁身其它地方的剪力值均得以減小。這說(shuō)明實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索不僅能夠減小樁身所受的剪力,還可均衡樁身的剪力分布,使得樁身所受的剪力分布更加均勻,對(duì)樁身受力配筋設(shè)計(jì)有利。

圖5 抗滑樁樁身剪力變化

對(duì)樁身加錨索和不加錨索兩種工況下的樁身彎矩進(jìn)行分析,如圖 6所示。

由圖6所示在兩種工況下樁身的彎矩變化情況可知,兩種工況下抗滑樁的樁身彎矩圖形基本一致,均呈數(shù)字“3”的形狀,均在樁身高度為8m有彎矩值的反向變化。不施加錨索的彎矩最大值出現(xiàn)在樁身高度6m處,最大值為2 850kN·m,此處為樁身埋置地面以下3m處。加錨索后,樁身的彎矩情況發(fā)生了較大的變化,最大值在樁身高度12m處,最大值為1 200kN·m。相較于不加錨索的工況,加錨索后樁身的彎矩值不僅在數(shù)值上大幅度減小,并且整個(gè)樁身的彎矩分布情況也隨之發(fā)生改變,使得樁身彎矩值分布更加合理。

圖6 抗滑樁樁身彎矩變化

3.3 方案優(yōu)化

考慮不同樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,本文對(duì)樁間距為2.5m、3.5m和4.5m的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化

由圖 7可知,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨樁間距的增大而逐漸減小,在樁間距2.5～3.5m時(shí)減小幅度較小,在樁間距3.5～4.5m時(shí)減小幅度較大,這說(shuō)明樁間距的增大對(duì)樁間土拱的形成影響較大。合理的樁間距能夠在保證邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上節(jié)省工程造價(jià),因此,本次邊坡的樁間距可調(diào)整為4.5m。

4 結(jié)論

本文采用MIDAS/GTS有限元軟件對(duì)路塹高邊坡支護(hù)方案進(jìn)行了模擬,對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、變形和受力情況進(jìn)行了分析,得到以下主要結(jié)論:

(1)抗滑樁設(shè)在貫穿塑性區(qū)的位置,整個(gè)支護(hù)體系有利于邊坡的穩(wěn)定性,穩(wěn)定系數(shù)為1.65。

(2)抗滑樁樁身水平位移自上而下呈斜“7”字形變形,最大值為位于樁身高度15m處,為15.3mm。

(3)錨索的施加有利于減小樁身的剪力值和彎矩值,同時(shí)也有利于樁身剪力值和彎矩值的均勻分布。施加錨索抗滑樁的樁身最大剪力值為630kN,最大彎矩值為1 200kN·m。

(4)對(duì)不同樁間距工況下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得出合理的樁間距為4.5m。