粟周瑜

(貴州省公路局　貴陽　550003)

晴興高速公路煤系地層路基邊坡加固設(shè)計(jì)方法研究

粟周瑜

(貴州省公路局貴陽550003)

摘要在我國西部山區(qū)廣泛分布著煤系地層，這種地層具有軟硬巖層頻繁交替的特點(diǎn)，煤系地層上的路基邊坡易發(fā)生變形破壞。文中結(jié)合晴興高速公路路基邊坡工程，探究煤系地層路基邊坡的加固設(shè)計(jì)方法，利用已有試驗(yàn)參數(shù)，通過有限元方法分析邊坡在錨桿加固、抗滑樁加固以及“錨桿-抗滑樁”聯(lián)合加固下取得的治理效果。

關(guān)鍵詞煤系地層路基邊坡加固有限元分析

煤系地層是含有煤層的一套沉積巖層，彼此間大致是連續(xù)沉積，并在成因上有密切關(guān)系。其特征包括巖石組成、含煤層數(shù)、煤層厚度、煤質(zhì)、煤類等。煤系地層多是軟弱巖層，其工程地質(zhì)條件通常較差。在建的晴隆至興義高速公路穿過大量含有煤系地層的地區(qū)，煤系地層中的炭質(zhì)泥頁巖屬于軟巖，其路基邊坡易產(chǎn)生變形破壞。

1晴興高速煤系地層路基邊坡破壞模式與加固方法

晴興高速公路路基邊坡在地下水、雨水、重力，以及特殊地質(zhì)條件的作用下，可能發(fā)生變形破壞，其變形破壞現(xiàn)象可分為2大類：①煤系地層路基邊坡局部破壞。調(diào)查分析，坡面局部破壞[1]包括剝落、沖刷和表面滑塌等類型，是由于水的浸潤與蒸發(fā)、凍結(jié)與融化、日光照射等風(fēng)化營力對(duì)表層

土產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用所導(dǎo)致；②煤系地層路基邊坡整體性破壞[2]。煤系地層路基邊坡整體崩塌和滑坡均屬這類煤系地層路基邊坡變形破壞。煤系地層土質(zhì)路基邊坡在坡頂或上部出現(xiàn)連續(xù)的拉張裂縫并下沉，或煤系地層路基邊坡中、下部出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，都是煤系地層路基邊坡整體性破壞和滑動(dòng)的征兆。一般地區(qū)這類破壞多發(fā)生在雨季中或雨季后。

對(duì)于不同的煤系地層邊坡類型及其破壞模式應(yīng)采用不同的治理措施[3-5]。治理病害邊坡的方法種類原則上可分為2種：①當(dāng)邊坡整體穩(wěn)定無問題，僅對(duì)表部或局部出現(xiàn)的變形破壞而采取的防護(hù)措施；②邊坡本身不能保持穩(wěn)定，為清除或減少各種不穩(wěn)定因素，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的整治工程措施。其中錨索框架梁和抗滑樁是煤系地層邊坡2種主要的加固方式。錨桿可適用于各類邊坡，但造價(jià)較高，一般在淺層穩(wěn)定性差的邊坡中采用較多。對(duì)于穩(wěn)定性很差的高陡巖質(zhì)邊坡，有較理想作用?？够瑯妒菍恫迦牖瑒?dòng)面以下穩(wěn)定地層中，利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用以平衡滑坡推力、穩(wěn)定滑坡的一種結(jié)構(gòu)物?？够瑯吨员粡V泛應(yīng)用，是因其具有抗滑能力大、支擋效果好、施工安全等優(yōu)點(diǎn)。

2有限元計(jì)算分析

基于實(shí)際邊坡建立模型，通過數(shù)值分析，從加固效果，經(jīng)濟(jì)效益等方面比較錨索加固、抗滑樁加固及錨桿+抗滑樁聯(lián)合加固的實(shí)際效果。

2.1　加固前有限元分析計(jì)算

選取晴興高速公路YK23+240處斷面作為典型剖面作為研究對(duì)象建立模型，將實(shí)際邊坡體按平面應(yīng)變模型做簡化處理，土體單元采用三角形平面應(yīng)變單元，樁和錨桿采用梁單元，樁土以及錨桿與土相互作用采用embed建立接觸關(guān)系[6]。邊界條件為：水平邊界只約束水平位移，模型底部采用全約束。單元總數(shù)約計(jì)20 000多個(gè)。根據(jù)施工單位提供的地勘報(bào)告以及巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)得計(jì)算模型參數(shù)見表1。

表1　模型計(jì)算參數(shù)

邊坡土體采用莫爾-庫侖材料模型，樁體和錨桿均采用線彈性模型。模型長度80 m，高度60 m，邊坡分4級(jí)開挖，前2級(jí)開挖5.75 m(1∶1)，設(shè)2 m臺(tái)階，后2級(jí)開挖5 m(1∶1)。加固前開挖完成后的有限元模擬結(jié)果見圖1。

a)豎向位移云圖b)水平位移云圖c)塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖1加固前開挖完成后的有限元模擬結(jié)果圖

由圖1可知：①邊坡未進(jìn)行加固前，開挖完成后坡體產(chǎn)生很大的水平位移和豎向位移；②邊坡開挖時(shí)，各步驟產(chǎn)生的水平和豎向位移持續(xù)增大，最大位移均達(dá)到40 cm左右，說明邊坡進(jìn)入塑性狀態(tài)；③坡體塑性應(yīng)變區(qū)分布很廣，呈明顯的貫通狀，必須采取一定的加固措施。

2.2　錨桿加固后有限元分析計(jì)算

模擬加固方案采用錨桿加固，錨桿直徑22 mm，錨桿長度15 m，豎向間距1.5 m，錨固角度與水平面呈45°。錨桿采用梁單元進(jìn)行模擬，采用線彈性模型。開挖步驟與加固前相同，開挖完成后的有限元模擬結(jié)果見圖2。

a)豎向位移云圖b)水平位移云圖c)塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖2錨桿加固后開挖完成后的有限元模擬結(jié)果圖

由圖2可知：①邊坡開挖完成后，在錨桿加固的作用下，坡體產(chǎn)生的水平和豎向位移均減少到很小，但豎向位移稍大些；②開挖過程中，位移曲線比較平順，無明顯拐點(diǎn)，說明開挖過程中邊坡狀態(tài)比較良好；③開挖過程中，坡體塑性區(qū)發(fā)展較快，雖未貫通，但仍存在安全隱患。

2.3　抗滑樁加固后有限元分析計(jì)算

模擬加固方案采用抗滑樁加固，樁徑1 m，樁長22 m，嵌入巖層3.5 m，位置布置在邊坡臺(tái)階處?？够瑯恫捎昧簡卧M(jìn)行模擬，采用線彈性模型。開挖步驟與加固前相同，開挖完成后的有限元模擬結(jié)果見圖3。

a)豎向位移云圖b)水平位移云圖c)塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖3抗滑樁加固后開挖完成后的有限元模擬結(jié)果圖

由圖3可知：①邊坡開挖完成后坡體產(chǎn)生的水平位移較小，豎向位移要大些；②開挖過程中，坡體塑性區(qū)發(fā)展很快，抗滑樁前后塑性應(yīng)變較大，存在安全隱患，需采取進(jìn)一步的加固措施。

2.4　“錨桿-抗滑樁”聯(lián)合加固后有限元分析計(jì)算

模擬加固方案采用抗滑樁+錨桿加固[7]，抗滑樁樁徑1 m，樁長22 m，嵌入巖層3.5 m，位置布置在邊坡臺(tái)階處。錨桿直徑22 mm，錨桿長度15 m，豎向間距1.5 m，錨固角度與水平面呈45°，只加固到臺(tái)階處?？够瑯逗湾^桿均采用梁單元進(jìn)行模擬，采用線彈性模型。開挖步驟與加固前相同，開挖完成后的有限元模擬結(jié)果見圖4。

a)豎向位移云圖b)水平位移云圖c)塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖4樁錨加固后開挖完成后的有限元模擬結(jié)果圖

由圖4可知：①開挖完成后坡體產(chǎn)生的水平位移和豎向位移均很?。虎陂_挖過程中，位移曲線比較平順，無明顯拐點(diǎn)，說明開挖過程中邊坡狀態(tài)比較良好；③坡體塑性應(yīng)變區(qū)發(fā)展很小，邊坡狀態(tài)非常良好，加固措施取得了很大的成效。

2.5　不同加固方式效果評(píng)價(jià)

根據(jù)有限元的分析結(jié)果，將不同工況計(jì)算得到的坡頂(底)豎向位移和水平位移值進(jìn)行了對(duì)比，繪制了圖5～圖8。利用強(qiáng)度折減法，得到各種加固方式下的安全系數(shù)，見表2。

圖5　不同加固方式坡頂豎向位移圖

圖6　不同加固方式坡底豎向位移圖

圖7　不同加固方式坡頂水平位移圖

圖8　不同加固方式坡底水平位移圖

工況安全系數(shù)提高比例/%加固前1.02錨桿加固1.2118.6抗滑樁加固1.1916.7樁錨加固1.4542.2

從圖7、表2可見：①各種加固方式對(duì)開挖過程中產(chǎn)生的豎向位移均有減小，其中樁錨加固最為明顯，錨桿次之，抗滑樁最差；②各種加固方式對(duì)開挖過程中產(chǎn)生的水平位移均有減小，其中樁錨加固最為明顯，錨桿次之，抗滑樁最差；③其中樁錨加固對(duì)邊坡的安全系數(shù)由1.02提高至1.45，比抗滑樁和錨桿單獨(dú)加固時(shí)的效果更好；④最后得出加固效果比較：樁錨加固效果最好，錨桿和抗滑樁相差不大。

3結(jié)論

(1) 錨桿加固。與開挖未支護(hù)相比，坡頂和坡腳位移都有減小，這表明錨桿對(duì)于加固軟弱層的效果較明顯。但是，從應(yīng)變?cè)茍D來看，坡角處局部區(qū)域應(yīng)變較大，且呈貫通趨勢(shì)的應(yīng)變向坡體深處發(fā)展。

(2) 抗滑樁加固。與開挖未支護(hù)相比，坡角的位移降低明顯，但抗滑樁以上土體位移仍然較大，這是因?yàn)榭够瑯吨皇亲钃趿似麦w的滑動(dòng)，但是并未加固軟弱層。

(3) 錨桿+抗滑樁聯(lián)合加固。此加固方式綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，無論從位移云圖還是應(yīng)變?cè)茍D都體現(xiàn)加固效果明顯。

綜上所述，對(duì)于這種有軟弱層的牽引式滑坡，采用錨桿+抗滑樁聯(lián)合的加固方式，具有明顯的效果。

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Design Method of Coal Strata Roadbed Slope Reinforcement in Qingxing Highway

SuZhouyu

(Guizhou Provincial Highway Bureau, Guiyang 550003, China)

Abstract：Coal-bearing strata are widely distributed in the western mountains of China. This soft and hard rock strata features is frequently alternating transverse isotropic. The embankment slope is easy to be out of shape and to destroy on this strata. In order to explore the coal strata reinforcement design method, combining with Qingxing highway roadbed engineering, the effect of Bolt Reinforcement, Anti-slide pile Reinforcement and "Bolt& anti-slide pile "governance Reinforcement of slope were analyzed and contrasted with the finite element method analysis by using the existing test parameters.

Key words:coal-bearing strata; roadbed slope reinforcement; finite element analysis

收稿日期：2015-03-31

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.032