張向東，張維慶

(遼寧工程技術(shù)大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

擋墻是公路和鐵路建設中普遍采用的一種路基邊坡支擋結(jié)構(gòu)[1]。當邊坡存在滑坡隱患時，可采用預應力錨索加擋墻的組合加固方案。國內(nèi)外學者在路基擋墻和錨索工程的穩(wěn)定性方面展開了一定的研究工作。吳順川等[2]對坡間路基擋土墻進行了參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬，提出了“雙錨”的支護方案。吳順川等[3]對車輛荷載下路基擋土結(jié)構(gòu)進行失穩(wěn)機理數(shù)值模擬，為類似失穩(wěn)路基擋土結(jié)構(gòu)加固方案和綜合治理措施的確立奠定科學基礎(chǔ)。鄧宗偉等[4]對預應力錨索樁板墻的變形特性進行研究，得出了擋墻分別在施工階段和施工后的最大變形位置。唐湖北等[5]研究了錨桿錨固角、錨固長度、錨固位置等影響因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。彭文祥等[6]以安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定的判斷依據(jù)，提出了對邊坡穩(wěn)定性影響顯著的錨固因素順序。吳定略等[7]通過數(shù)值模擬計算，分析了路基沉降對沿線邊坡和線下邊坡穩(wěn)定性的影響。高成雷等[8]對山區(qū)公路半填半挖路基沉降進行研究，得出了控制指標。

以上研究多是通過解析法或數(shù)值模擬法，對既有支護結(jié)構(gòu)進行研究，確定相應的變形特征和穩(wěn)定性規(guī)律，尚未形成一種有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法。為此，本文以錦州市興海公司南環(huán)路邊坡支護工程為例，建立有效的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價指標，采用正交試驗方法確定數(shù)值模擬方案，利用FLAC3D進行數(shù)值分析，確定錨索布置的最優(yōu)化方案，系統(tǒng)地揭示了預應力錨索路基擋墻的受力、沉降特性及主要影響因素，對工程設計具有重要理論價值，為現(xiàn)場施工提供技術(shù)支持。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

工程所在區(qū)域場地地形較為平坦，場區(qū)巖層由素填土、強風化砂巖及中風化砂巖組成。擋墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(混凝土為C30，鋼筋采用HPB300，單根長度600 mm)，錨索采用3根φ15.2 mm的鋼絞線。擋墻后的填土采用碎石類土。

選取代表性區(qū)域(圖1)，計算寬度為25 m，擋墻高度9 m，邊坡傾角47°，路基寬度7.5 m，作用靜載荷20 kPa。結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

圖1 邊坡支護區(qū)域Fig.1 Slope supporting area

圖2 剖面圖Fig.2 Sectionof the subgrade

1.2 模型及邊界條件設立

模型網(wǎng)格劃分見圖3。

模型施加位移邊界條件：整體施加y方向約束，左側(cè)擋墻底部和模型右邊界施加x方向約束，上部設定為自由面，底部施加固定約束。路面施加應力邊界條件。

圖3 三維模型網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Mesh of the 3D numerical model

1.3 模型參數(shù)選取

填土與邊坡巖土體均為彈塑性體，選擇Mohr-Coulomb模型，錨索采用cable單元。采用的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學性質(zhì)參數(shù)

擋土墻配筋參數(shù)：彈性模量Es=2×105MPa、抗拉強度=310 MPa、泊松比0.2。

擋墻與墻后填土的接觸面采用無厚度接觸單元，接觸面本構(gòu)模型采用庫倫剪切模型，接觸面法向剛度kn和剪切剛度ks取周圍“最硬”相鄰區(qū)域的等效剛度的10倍，即：

式中：Δzmin——接觸面法向連接區(qū)域上的最小尺寸；

K——體積模量；

G——剪切模量。

2 錨固方案正交試驗設計

影響錨固效果的因素很多，既有物理參數(shù)又有幾何參數(shù)，要做全面分析是很困難的，而且如果對所有影響因素的每個水平都進行組合試驗，試驗次數(shù)是驚人的。因此根據(jù)實際工程地質(zhì)情況與施工水平條件，保持錨固角度和錨固長度保持不變(不列入考核變量)，選取三因素三水平試驗方案：將錨索橫向間距、縱向間距和預應力值三個方面作為設計考察因素，每個因素選取三水平，且不考慮試驗因素間的交互作用，設計見表2。

表2 正交設計因素及水平表

2.1 試驗安排及計算結(jié)果

根據(jù)三因素三水平的正交表，最少需要進行9次試驗[9]，其組合原則與要求為：

(1)根據(jù)試驗目的，確定評價指標，選取主要考察因素，略去次要因素，因素一般以3～7個為宜。

(2)因素數(shù)應小于等于正交表列數(shù)，因素水平數(shù)與正交表對應的水平數(shù)一致，在滿足前提下，可選擇較小的正交表。

(3)本試驗設計中，空列為誤差列，其位置一般放在中間或靠后。

(4)正交表中各列上的數(shù)字1、2、3分別代表該列所填因素在各個試驗中的水平數(shù)，因此正交表的每一行都對應一個試驗方案，即各因素的水平組合。

試驗安排及計算結(jié)果見表3，結(jié)果分析見表4。

對表4中引入的三個符號的解釋：

(1)Ki表示任一列上水平號為i(本文中i=1,2,3)時，所對應的試驗結(jié)果之和。

(2)ki=Ki/s,其中s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)，本文中為3次。

(3)R稱為極差，在任一列上R=max{K1，K2，K3}-min{K1，K2，K3}

表3 試驗方案及計算結(jié)果

表4 試驗結(jié)果分析

2.2 趨勢圖與最優(yōu)方案的選取

根據(jù)規(guī)范中對路基邊坡監(jiān)測項目的要求，評價指標確定為擋墻面板頂部位移和路基中心沉降量，計算后的評價指標趨勢圖見圖4和圖5。

因素主次與優(yōu)方案的確定原則：

圖4 趨勢圖1Fig.4 Trend chart 1

圖5 趨勢圖2Fig.5 Trend chart 2

(1)極差R表明了一列所在因素的數(shù)值在試驗范圍內(nèi)的變化，所以極差最大的一列為對試驗結(jié)果影響最大的因素，即最主要的因素。

(2)優(yōu)方案指在試驗范圍內(nèi)，各因素的較優(yōu)水平組合。優(yōu)水平的確定與試驗指標有關(guān)：本文中，試驗指標是擋墻面板頂部位移和路基中心沉降量，指標均是越小越好，所以選取每個因素的K1、K2、K3中最小的值對于的水平。

從趨勢圖和表4可以得出：

因素A：對于兩個指標來說，都是以A3為最佳水平，所以選A3。

因素B：對于兩個指標來說，從極差來看，B因素都是最重要的因素，在確定優(yōu)化水平時重點考慮：對于路基中心沉降值，從趨勢圖來看，取B2最佳；對于面板頂部位移值，B2與B3相差不大，所以選B2。

因素C：對于路基中心取沉降值，從趨勢圖來看，B2與B3相差不大；對于面板頂部位移值，取C3最佳，所以選C3。

綜上，最優(yōu)方案為A3-B2-C3，即錨索橫向間距3.0 m、縱向間距3.0 m、預應力值180 kN。

3 監(jiān)測值與模擬結(jié)果的對比分析

3.1 路基沉降

為確定數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，根據(jù)上述最優(yōu)錨索布設方案，沿路基寬度方向每隔0.5 m選取一個監(jiān)測點來讀取路基的沉降。由圖6可知，路基中心位置沉降最大。由圖7可知，擋墻路基的實際監(jiān)測結(jié)果(最大沉降量-9.78 mm，最小沉降量-1.19 mm)與模擬結(jié)果(最大沉降量-13.83 mm，最小沉降量-1.56 mm)存在一定差距，但整體變化趨勢相同，最大差值不足5 mm，說明模擬結(jié)果具有較高的準確性。

圖6 靜載條件下豎向位移云圖Fig. 6 Vertical displacement nephogram under static load

圖7 路基表面沿寬度方向沉降曲線Fig.7 Settlement curve of subgrade surface along width direction

3.2 面板側(cè)向位移

面板最大側(cè)向位移都發(fā)生在頂部，實測最大位移為-13.28 mm，而模擬值為-8.32 mm，這是由于擋墻頂端缺乏錨索的約束，在荷載的作用下逐漸產(chǎn)生了較為明顯的向外撓曲現(xiàn)象。同時，模擬值與實測值較為吻合，證明了計算結(jié)果的合理性(圖8、圖9)。

圖8 靜載條件下水平位移云圖Fig.8 Horizontal displacement nephogram under static load

圖9 擋墻面板側(cè)向位移曲線Fig.9 Lateral displacement curve of retaining wall panel

3.3 側(cè)向土壓力

圖10和圖11表明，土體的滑動方向為從邊坡向擋墻方向滑動。土體應力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，應力變化較為均勻，實際土壓力峰值-45.09 kPa較模擬值-36.78 kPa大些，趨勢基本相同，這是由于上下兩排錨索承擔了一部分墻后土體推力，阻擋了墻后土體的滑動和變形，使得墻后土體產(chǎn)生了一定的應力集中與放大。

圖10 x方向應力云圖Fig. 10 Stress nephogram along X direction

圖11 擋墻側(cè)向土壓力變化曲線Fig.11 Lateral soil pressure of retaining wall

4 結(jié)論

(1)正交分析法是一種實用的分析方法，工作量小、易于完成，不但可以找出主導因素，而且對擋土墻的優(yōu)化設計具有一定意義。

(2)將邊坡加固與擋墻建設相結(jié)合，與單獨施工相比，在支護效果和經(jīng)濟指標方面都具有明顯的優(yōu)越性。

(3)采用正交設計方法對本路基擋墻工程錨固參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)果表明：以靜載條件下?lián)鯄γ姘逦灰屏亢吐坊两盗孔鳛樵u價指標，錨索縱向間距的顯著性影響最大，綜合考慮得出最優(yōu)方案為錨索橫向間距3.0 m、縱向間距3.0 m、預應力值180 kN。

(4)通過擋墻面板位移監(jiān)測、填土側(cè)向壓力監(jiān)測和路基沉降監(jiān)測結(jié)果均顯示本次優(yōu)化設計方案加固效果良好，對今后的類似工程具有指導和借鑒意義。