鄭榮政　吳自由　郭世周

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251； 2.河北工業(yè)大學(xué)，天津　300401)

1　巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法、破壞形式及加固技術(shù)

進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)的理論、方法有很多，總體來說，包括確定性分析方法和不確定性分析方法兩大類。

1.1　確定性分析方法

(1)極限平衡分析法：計(jì)算公式、模型簡(jiǎn)單；邊坡剖面可較為復(fù)雜，加載形式可以任意。

(2)數(shù)值分析方法：以數(shù)學(xué)分析、代數(shù)、微分方程等數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，適合于計(jì)算機(jī)上使用。目前常用的方法有:有限元法、有限元強(qiáng)度折減法、FLAC法、流形元法、邊界元法、離散元法、界面應(yīng)力元法等。

1.2　不確定性分析方法

不確定性分析方法主要有灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、可靠度分析方法和模糊綜合評(píng)價(jià)法。

1.3　邊坡破壞形式

邊坡的破壞形式主要有楔體形破壞、平面形破壞、傾倒形破壞、圓弧形破壞。

1.4　邊坡加固技術(shù)

目前主要有擋墻、錨噴防護(hù)技術(shù)、壓力注漿加固技術(shù)、削坡減載及壓腳技術(shù)、松動(dòng)爆破滑動(dòng)面等。

2　工程概況及模型建立

2.1　工程概況

承赤高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)大(慶)廣(州)高速公路(G45)的重要組成部分，是河北省高速公路網(wǎng)“五縱、六橫、七條線”中“縱一”的重要路段，線路全長(zhǎng)212 km，預(yù)計(jì)總投資195.6億元。

2.2　建立模型

主要運(yùn)用ANSYS和FLAC 3D兩種工程分析軟件相結(jié)合，以承赤高速承德段中的五標(biāo)-八標(biāo)段邊坡為依據(jù)建立模型；由于主要是研究層狀巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，所以FLAC 3D所采用的本構(gòu)模型為多節(jié)理模型。

具體建模過程如下：

①首先運(yùn)用CAD對(duì)實(shí)際邊坡模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

②通過CAD—ANSYS軟件獲取邊坡模型的坐標(biāo)；由點(diǎn)生線、線生面、面生體的方法，建立模型；對(duì)模型進(jìn)行材料屬性分配和網(wǎng)格劃分。模型網(wǎng)格劃分如圖1。

③應(yīng)用鄭海棠“應(yīng)用匯編語言”開發(fā)的ANSYS to FLAC 3D軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件自動(dòng)生成FLAC 3D 模型。最終建立的邊坡模型如圖2。

圖1　模型網(wǎng)格劃分

圖2　層理面邊坡模型

3　實(shí)例模擬分析

3.1　地質(zhì)模型建立及初始計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，該邊坡為兩層的順層巖質(zhì)邊坡，巖體中存在一個(gè)較大的軟弱面。由于工程建設(shè)要求，此路段無法繞行修建，所以要對(duì)邊坡進(jìn)行開挖。依此建立的地質(zhì)模型如圖3所示，其中序號(hào)代表不同的巖體：①—砂質(zhì)及泥質(zhì)粉砂巖互層，②—泥質(zhì)及粉砂質(zhì)泥巖互層。

具體巖體參數(shù)及滑面參數(shù)如表1、表2所示。

表2　滑面參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)模型確定邊坡計(jì)算模型；模型水平距離145 m、豎直高度89 m、縱向?qū)? m，為三維模型。經(jīng)過計(jì)算，坡體自然條件下的豎向應(yīng)力如圖4所示。從圖4中可以看出，坡體在自然條件下只考慮重力作用，應(yīng)力分布較均勻，分布情況大致與坡體表面相同，但在軟弱面發(fā)生突變。由于巖體②有沿軟弱面下滑的趨勢(shì)，所以在坡頂出現(xiàn)一小部分拉應(yīng)力區(qū)。由左側(cè)數(shù)值可知，隨深度的增加應(yīng)力逐漸增大，同實(shí)際一致。在自然條件下，坡體已經(jīng)達(dá)到自身的平衡，變形已經(jīng)完成。所以，此時(shí)得到的位移值是邊坡從最初到平衡的總位移。

圖4　坡體自然條件下豎向應(yīng)力

3.2　開挖方案一

該方案是對(duì)邊坡進(jìn)行一次開挖，設(shè)計(jì)坡率為1∶0.32，高度為30 m。開挖后，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡后對(duì)開挖結(jié)果進(jìn)行分析。方案一開挖范圍如圖5所示。

圖5　方案一開挖范圍

(1)不加支護(hù)

經(jīng)計(jì)算，各種數(shù)據(jù)結(jié)果圖如圖6～圖9所示。

圖6　位移

圖7　巖體①位移

圖8　最大主應(yīng)力

圖9　塑性區(qū)

從圖6可知，邊坡開挖后主要是巖體②沿軟弱面發(fā)生了較大的位移，最大值為0.358 m，而下伏巖體①基本沒有變化，表明此邊坡主要是受軟弱面的控制。從圖7看出，巖體①主要是在坡角左側(cè)發(fā)生了位移，且主要是豎向拱起(0.020 m)。

從圖8可知，受軟弱面影響，應(yīng)力在坡體中發(fā)生了突變，巖體內(nèi)出現(xiàn)了較多的拉應(yīng)力區(qū)，不利于邊坡穩(wěn)定。由于巖體②-1的開挖，巖體①左側(cè)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到釋放，所以在巖體①施工便道出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)。從圖9可以看出，在巖體②頂部出現(xiàn)了較多的拉伸塑性區(qū)，在坡角處出現(xiàn)了剪切破壞區(qū)。

綜上所述，此次開挖后由于臨空面高度較大，所以巖體②沿軟弱面發(fā)生了整體滑移，最大位移值達(dá)0.358 m，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。

(2)進(jìn)行支護(hù)加固

隨著低松弛、高強(qiáng)度鋼絞線材料成本降低，預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。綜合各種邊坡加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行邊坡支護(hù)加固。

選用由七股φ15的鋼絞線制作，抗拉強(qiáng)度大于等于1860 MPa。由以上預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算公式得出每孔錨索的根數(shù)為8根，設(shè)計(jì)張拉噸位為800 kN。其他參數(shù)如表3所示。

計(jì)算后得到各種數(shù)據(jù)如圖10～圖13所示。

表3　錨索模型參數(shù)

圖10　支護(hù)后位移

圖11　支護(hù)后最大主應(yīng)力

圖12　支護(hù)后塑性區(qū)

圖13　預(yù)應(yīng)力錨索受力

對(duì)比圖6與圖10可知，施加預(yù)應(yīng)力錨索后，坡體的位移由原來的0.358 m降為0.124 m，減少了63%；從圖8、圖9和圖11、圖12對(duì)比看出，巖體內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)和塑性區(qū)均有所減少，最大拉應(yīng)力值減少了7.17 MPa。從圖13得出，預(yù)應(yīng)力錨索受到了很大軸向拉力，最大軸力達(dá)到了1.10 MN，未達(dá)到錨索的抗拉極限值。

綜上所述，施加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，坡體的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)都有所降低，且錨索承受了較大的拉力，發(fā)揮了支護(hù)作用。但由于臨空面高度較高，坡體下滑力較大，所以支護(hù)后邊坡位移仍很大，為0.124 m。

3.3　開挖方案二

針對(duì)方案一中一次性開挖，邊坡臨空面過高，支護(hù)效果不理想；方案二采用降低開挖高度方式，設(shè)置兩級(jí)邊坡，每級(jí)邊坡高度為13 m，中間設(shè)置寬度為2.5 m的平臺(tái)，設(shè)計(jì)坡率為1∶0.32，方案二開挖范圍如圖14所示。

圖14　方案二開挖范圍

(1)不加支護(hù)

第一次開挖，開挖施工現(xiàn)場(chǎng)第二級(jí)邊坡，如圖14中的②-1，經(jīng)開挖達(dá)到系統(tǒng)新的平衡后，得到各種數(shù)據(jù)結(jié)果如圖15～圖18所示。

圖15　第一次開挖后位移

圖16　第一次開挖后巖體①位移

圖17　第一次開挖后最大主應(yīng)力

圖18　第一次開挖后塑性區(qū)

從圖15、圖16位移圖中可以看出，第一次開挖后，主要是在巖體②發(fā)生了局部位移，且最大位移出現(xiàn)在巖體②的最右側(cè)，這主要是受到上部巖體的下滑推力，臨空面最大位移為0.032 m。從圖17和圖18可知，在巖體②內(nèi)及巖體①的滑面處出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，在開挖面坡腳處出現(xiàn)了應(yīng)力集中；由于巖體②性質(zhì)較弱，所以在巖體②內(nèi)出現(xiàn)了拉伸塑性區(qū)，在開挖面出現(xiàn)了剪切塑性區(qū)。

第二次開挖，即在施工現(xiàn)場(chǎng)開挖第一級(jí)邊坡，如圖14中的巖體②-2，經(jīng)開挖達(dá)到系統(tǒng)新的平衡后，得到各種數(shù)據(jù)結(jié)果如圖19～圖21所示。

圖19　第二次開挖后位移

圖20　第二次開挖后最大主應(yīng)力

從圖19～圖21中可以看出，第二次開挖后仍是巖體②發(fā)生較大的局部位移，且最大位移也是在巖體②右下部，坡體最大位移達(dá)0.171 m。由主應(yīng)力圖可知，由于開挖后應(yīng)力釋放，施工便道拉應(yīng)力值有所增加。由塑性區(qū)圖可看出，在一級(jí)坡面出現(xiàn)了剪切塑性區(qū)。

通過對(duì)開挖結(jié)果的分析，第一次開挖后巖體②發(fā)生了較大的局部位移，為了保證后續(xù)開挖的順利進(jìn)行，保證邊坡的穩(wěn)定，第一次開挖后需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固處理。

(2)加固支護(hù)后

選用同方案一相同的預(yù)應(yīng)力錨索與對(duì)應(yīng)參數(shù)加固。

第一次開挖支護(hù)，即在第一次開挖后及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力錨索加固。得到支護(hù)后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖22～圖24所示。

圖22　第一次開挖支護(hù)后位移

圖23　第一次開挖支護(hù)后最大主應(yīng)力

圖24　第一次開挖支護(hù)后塑性區(qū)

對(duì)比圖19～圖21與圖22～圖24可知，第一次開挖施加預(yù)應(yīng)力錨索后，邊坡的位移、拉應(yīng)力區(qū)以及塑性區(qū)均降低了很多，巖體②最大位移降低了70%，由于巖體②下滑力減少所以坡腳處應(yīng)力降低，能夠保證第二次開挖施工的順利進(jìn)行。

第二次開挖支護(hù)，計(jì)算得到數(shù)據(jù)結(jié)果如圖25～圖28所示。

圖25　第二次開挖支護(hù)后位移

圖26　第二次開挖支護(hù)后最大主應(yīng)力

圖27　第二次開挖支護(hù)后塑性區(qū)

圖28　預(yù)應(yīng)力錨索受力

對(duì)比圖19與圖25可知，施加預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡的位移從原來的0.171 m減少為0.032 m，降低了80%。從圖26和圖27可以看出，由于錨索的加固作用，巖體②內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)有所減少，利于邊坡穩(wěn)定，塑性區(qū)也在巖體②的頂部和開挖面出現(xiàn)。由錨索受力圖可知，錨索受到的最大軸力為1.0 MN，未達(dá)到錨索的抗拉極限。

4　結(jié)論

(1)方案一由于開挖高度過大造成邊坡位移很大，經(jīng)支護(hù)后效果仍不明顯；方案二改進(jìn)開挖方式，降低開挖高度，設(shè)置兩級(jí)邊坡，減小了邊坡下滑力，經(jīng)支護(hù)后位移大大降低，開挖巖體內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)大大減少，開挖面塑性區(qū)也大大減少，支護(hù)效果明顯。

(2)基于數(shù)值模擬的方法分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加固情況，方案二模型更加有利于邊坡穩(wěn)定，從而使得工程既安全又經(jīng)濟(jì)，兩種方案對(duì)比，最終優(yōu)選方案二。

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