孫世國,宋維琦,王子彪

(北方工業(yè)大學土木工程學院,北京 100041)

隨著高速路網(wǎng)的完善,山區(qū)高速公路增多,高速路邊坡穩(wěn)定性研究成為國內(nèi)外研究的熱點和焦點。經(jīng)過近三十年的發(fā)展,邊坡穩(wěn)定性從定性評價、半定量評價發(fā)展到現(xiàn)今的定量評價,評價范圍也從區(qū)域風險評價發(fā)展到區(qū)域風險評價與場地風險評價、單體風險評價并舉[1]。

近年來邊坡變形破壞過程的復雜性以及影響邊坡穩(wěn)定性因素的不確定性,加上一些新學科、新理論的引入和交叉,逐步形成了一些邊坡穩(wěn)定性分析的新方法,比如模糊數(shù)學分析法,灰色系統(tǒng)分析法以及神經(jīng)網(wǎng)絡分析法等,在工程實踐中,傳統(tǒng)的極限平衡法原理簡單,其精度可以滿足大多數(shù)工程的需要,而且是經(jīng)過長期工程實踐被證明了的有效的計算方法因而被廣泛使用。剩余推力法是邊坡穩(wěn)定性計算的方法之一,是我國水利、交通和鐵道部門在核算滑坡穩(wěn)定時普遍使用該方法。其優(yōu)點是借助于滑坡構造特征分析及剩余推力計算,可以獲得任意形狀滑動面在復雜荷載作用下的滑坡推力,計算方法簡潔。錨索具有承載強度高、預應力大、注漿方便、端錨與全長錨固相結合等優(yōu)點,能加固巖土體,限制其變形,改善巖土體的力學參數(shù)及應力狀態(tài),適用于復雜條件礦井、水電站、公路、鐵路、以及其他災害邊坡等工程的加固治理[2,3]。

本文主要考慮極限狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性情況,基于剩余推力法獲得的滑動面和安全系數(shù)計算結果采取相應的邊坡加固措施,對穩(wěn)定性差的邊坡分別進行普通錨索、盤式錨索、減載及其組合方式加固,并計算對應造價,得到最優(yōu)方案。

1 邊坡概況及地質(zhì)特征

據(jù)野外調(diào)查及鉆孔結果,建立了如下地質(zhì)地層的模型,覆蓋層為可塑狀粉質(zhì)粘土,約2.5m厚,容重γ為17kN/m3,摩擦角φ為7°,粘聚力c為15kPa；下伏基巖為粉砂質(zhì)泥巖,強風化層厚7m～8m,容重γ為20kN/m3,摩擦角φ為14°,粘聚力c為0-6kPa,中風化巖層較穩(wěn)定,容重γ為22kN/m3,摩擦角φ為35°,粘聚力c為40kPa。

2 穩(wěn)定性分析及加固

為便于比較分析,本次研究普通錨索均采用1x7標準型、直徑21.6mm、公稱抗拉強度fptk為1860MPa,抗拉強度設計值fy為1260MPa,每根鋼絞線極限張拉荷載為504kN,屈服張拉荷載為454kN,設計鉆孔直徑取160mm,錨盤安裝擴孔尺寸為260mmx180mm。

錨固力設計值根據(jù)剩余推力法計算腳本執(zhí)行,計算時控制安全系數(shù)為1.35,根據(jù)GeoSlope計算得到的滑面和劃分的條塊信息計算剩余推力值。使用Geoslope軟件,建立邊坡幾何模型如圖1所示,采用Bishop法、Janbu法、M-P法和剩余推力法對邊坡天然條件下的穩(wěn)定性系數(shù)進行計算,計算得出該邊坡Bishop安全系數(shù)為0.275,Janbu安全系數(shù)為0.266,M-P安全系數(shù)為0.271,剩余推力法安全系數(shù)為0.54。根據(jù)最新《建筑邊坡設計規(guī)范》(GB50330-2013)要求,對于永久邊坡類型的一級邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)值應達到1.35以上,因此,設計時盡量控制安全系數(shù)在規(guī)定值以上。根據(jù)條塊間推力大小,加固優(yōu)化可在8～32條塊間設置錨索以提高邊坡的穩(wěn)定性(圖1)。

圖1 邊坡幾何模型圖

2.1 普通錨索加固

根據(jù)錨索設計規(guī)范和《公路路基設計規(guī)范》進行錨索設計：錨索軸向拉力設計值：剩余推力計算結果為928.157kN,滑面傾角10.793°,取錨索傾角為20°,則錨索軸向拉力設計值Na=1.3*928.157*cos10.793/cos20=1261.33kN。

錨索鋼絞線最小截面面積：As=1.0*1261.33/(0.69*1260*103)=1451mm2;錨索鋼絞線數(shù)量：n=1451*10-6/(π*0.02162/4)=3.96,取n=4;錨索布置和單孔錨固力設計值：設計錨索水平間距2.5m,垂直間距5m,共9排,取錨索安全系數(shù)為2.2,Pt1=1261.33*2.5/9=350.37kN;錨固體設計：按水泥砂漿與錨索張拉鋼材粘結強度計算錨固段長度為Lg=2.2*350.37/(0.6*4*3.14*0.0216*3400)=1.39m,按錨固體與孔壁的粘結強度確定錨固段長度為Lr=2.2*350.37/(3.14*0.16*450)=3.41m,由《公路路基設計規(guī)范》規(guī)定,錨固長度取Lg與Lr中較大值,不小于3m,不大于10m,且不超過7.2m,因此,該處取錨固段長度4m。

加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.145,Janbu的安全系數(shù)為1.115,M-P的安全系數(shù)為1.142,加固后安全系數(shù)均未達到1.35以上,不符合要求。

2.2 盤式錨索加固

盤式錨索對比普通錨索的優(yōu)勢在于同樣型號的材料設置下,實驗表明盤式錨索的承載力接近普通錨索的2倍。加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.489,Janbu的安全系數(shù)為1.394,M-P的安全系數(shù)為1.489,符合要求。

2.3 減載措施

減載措施主要綜合考慮極限狀態(tài)與局部危險狀態(tài)滑動面位置和形狀,適當設置平臺和削坡方案。減載后,Bishop的安全系數(shù)為1.464,Janbu的安全系數(shù)為1.333,M-P的安全系數(shù)為1.463,符合要求。

2.4 加固與減載結合

普通錨索加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.486,Janbu的安全系數(shù)為1.396,M-P的安全系數(shù)為1.487,符合要求。盤式錨索加固后,Bishop的安全系數(shù)為1.586,Janbu的安全系數(shù)為1.429,M-P的安全系數(shù)為1.581,符合要求。

3 工程總造價對比分析

采用廣聯(lián)達計價軟件GBQ4.0對該項目進行單位工程預算分析,根據(jù)該省建設工程相關計價定額和清單工程算量規(guī)則以及最新材料價格信息,結合邊坡設計計算結果,分別計算出整體錨索加固、整體減載和加固與減載相結合的總造價清單計價表,計算該標段邊坡加固工程總造價,對比各加固方法總造價(表1)。

表1 工程總造價對比匯總

4 總結

剩余推力法計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)時未考慮水文條件,計算值偏大,植入錨索后對于受力分配問題不能較好解決,因此還不能夠廣泛應用[4]。

造價分析參考該省2004版定額庫,介于市場價格信息搜集局限以及廢渣運距統(tǒng)一為1km以內(nèi)問題,部分人材機價格仍有待調(diào)整[5]。

計算結果表明減載措施相對于其它加固方法造價更低,一個原因是該方法廢渣運距統(tǒng)一為1km以內(nèi),所得價總價偏于保守,另一個原因是計算時出于對于強風化層粘聚力的極限狀態(tài)考慮,大幅減小了該巖層力學參數(shù)粘聚力,導致部分錨索計算用量較保守,但實際穩(wěn)定性更好。結合加固效果、勞動強度和工程造價,推薦使用盤式錨索加局部減載的加固方法。

[1]丁參軍,張林洪,于國榮,等.邊坡穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀與趨勢[J].水電能源科學,2011(08)．

[2]盧謹華,鄔星華,李樹亭,等.淺析贛定高速邊坡破壞類型與治理方法[J].江西建材,2014(20)．

[3]王艷霞.模糊數(shù)學在邊坡穩(wěn)定分析中的應用[J].巖土力學,2010(09)．

[4]熊海豐.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的邊坡穩(wěn)定性評價研究[J].武漢理工大學,2003(05)．

[5]王旭,劉東升,宋強輝,等.基于極限平衡法的邊坡穩(wěn)定性可靠度分析[J].地下空間與工程學報,2016(03)．