楊湧濤
(山西交投高速公路有限公司 太原市 030006)
工程邊坡的穩(wěn)定性對邊坡周邊村莊安全、環(huán)境生態(tài)都有著重要影響。對邊坡的治理主要有兩種方案,一種是通過減小不穩(wěn)定土體自重使邊坡達到穩(wěn)定狀態(tài)的削坡法[1-2];第二種就是利用相應(yīng)的材料與技術(shù)對邊坡進行加固的方案,如設(shè)置擋土墻[3-4]、錨桿支護法等[5-7],現(xiàn)如今錨桿支護在邊坡中的應(yīng)用已十分常見。
以某工程巖質(zhì)邊坡為研究對象,基于Midas/GTS有限元軟件研究了重力式擋墻法、全長粘結(jié)型錨桿支護法以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護法三種方案下的邊坡穩(wěn)定性,選擇該工程邊坡最優(yōu)的支護方案。
某工程巖質(zhì)邊坡,位于盆地丘陵、低山地區(qū),山體植被發(fā)育,以松樹、灌木及蕨類植物為主,坡腳不遠緊鄰村莊。邊坡高約15m,坡率為1∶1,坡體主要以石英巖夾板巖構(gòu)成,上層為強風化的石灰?guī)r夾板巖、中部為中風化的石灰?guī)r夾板巖,基層是弱風化的石灰?guī)r夾板巖。邊坡斷面示意圖如圖1所示,具體巖體參數(shù)如表1所示。
利用Midas/GTS有限元軟件中邊坡穩(wěn)定性分析模塊(SRM)對邊坡的初始狀態(tài)穩(wěn)定性進行數(shù)值分析,建立網(wǎng)格模型如圖2所示。
圖1 邊坡初始狀態(tài)斷面示意圖
表1 巖體參數(shù)表
圖2 邊坡初始狀態(tài)網(wǎng)格模型
(1)塑性區(qū)分布結(jié)果
輸出邊坡塑性區(qū)分布圖結(jié)果如圖3所示,由圖可以看出邊坡初始狀態(tài)下存在潛在的呈圓弧狀的表層滑動帶,整體塑性區(qū)分布面積較大,最大塑性應(yīng)變值為4.97×10-2,位于強風化石灰?guī)r夾板巖層與中風化石灰?guī)r夾板巖交界處。此時計算得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.08,存在失穩(wěn)風險。
圖3 邊坡初始狀態(tài)塑性區(qū)分布圖
(2)水平位移分析結(jié)果
輸出邊坡水平位移結(jié)果如圖4所示。由圖可知該邊坡初始狀態(tài)下的水平位移最大值為42.02mm,且邊坡整體發(fā)生的水平位移都較大。
圖4 初始狀態(tài)水平位移結(jié)果圖
根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出該邊坡存在失穩(wěn)風險,對坡腳不遠緊鄰的村莊存在安全隱患,因此根據(jù)邊坡情況制定了重力式擋墻法、全長粘結(jié)型錨桿支護法以及預(yù)應(yīng)力錨桿支護法3種支護方案。3種方案支護參數(shù)如表2所示,其中混凝土強度等級為C25。
表2 支護參數(shù)表
3.1.1方案一:重力式擋墻法
重力式擋墻法是指依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力的擋土墻,可用塊石、片石、混凝土預(yù)制塊作為砌體,或采用片石混凝土、混凝土進行整體澆筑。本方案采用素噴C25混凝土護面+8m高重力式擋墻進行支擋,擋墻以C25混凝土整體澆筑。同時對墻頂土體以1∶1.25坡率放坡,重力式擋墻方案下邊坡斷面示意圖如圖5所示。
圖5 重力式擋墻法下邊坡斷面示意圖
3.1.2方案二:全長粘結(jié)型錨桿支護
全長粘結(jié)型錨桿支護是利用全長粘結(jié)性錨桿將潛在滑動體和穩(wěn)定的基巖形成一個整體受力基體,對土層進行深層加固,提高邊坡巖土體的力學(xué)性能,控制邊坡變形[7]。此方案同樣采用3級放坡,每級放坡坡率1∶1,并預(yù)留1.5m寬馬道。坡面設(shè)置1.5×1.5m的C25混凝土格構(gòu)梁,錨桿布置在框架梁節(jié)點位置。錨桿長度L為14m,橫縱向間距均為1.5m,設(shè)計錨固角度為25°,全長粘結(jié)性錨桿支護邊坡斷面示意圖如圖6所示。
圖6 全長粘結(jié)性錨桿支護邊坡斷面示意圖
3.1.3方案三:預(yù)應(yīng)力錨桿支護
預(yù)應(yīng)力錨桿支護與普通錨桿支護的放坡參數(shù)一致,采用3級放坡,每級放坡坡率1∶1,并預(yù)留1.5m寬馬道。坡面設(shè)置1.5×1.5m的C25混凝土格構(gòu)梁,預(yù)應(yīng)力錨桿布置在框架梁節(jié)點位置。預(yù)應(yīng)力錨桿直徑為28mm,全長14m,錨固段為7m,橫縱向間距均為1.5m,設(shè)計錨固角度為25°,每孔設(shè)計施加350kN的預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡斷面示意圖如圖7所示。
圖7 預(yù)應(yīng)力錨桿支護邊坡斷面示意圖
模型建立過程中錨桿采用植入式桁架單元來模擬,格構(gòu)梁采用梁單元來模擬,預(yù)應(yīng)力錨桿施加350kN預(yù)應(yīng)力?;贛IDAS/GTS軟件建立網(wǎng)格模型如圖8所示。
圖8 支護方案邊坡網(wǎng)格模型
輸出3種方案下邊坡的塑性區(qū)分布云圖如圖9所示。
圖9 支護方案下邊坡塑性區(qū)分布圖
分析圖9(a)可以看到,重力式擋墻方式的邊坡整體塑性區(qū)分布面積有所擴大,但整體塑性應(yīng)變值有所減小,最大塑性應(yīng)變值為6.70×10-3,由圖9(b)、圖9(c)可以看到錨桿支護方案下邊坡的整體塑性區(qū)分布面積明顯減小,且不再呈現(xiàn)為明顯圓弧狀滑動帶,其中全長粘結(jié)型錨桿支護方案下邊坡的最大塑性應(yīng)變值為1.07×10-3,位于二級邊坡坡腳處;預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案下邊坡的最大塑性應(yīng)變值為2.73×10-4,且不位于邊坡坡面。由此可見錨桿的存在能夠起到很好的抗滑性能,承擔邊坡的下滑力,邊坡整體塑性區(qū)分布面積及塑性應(yīng)變值都相應(yīng)減小,其中預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案減小的最為明顯。
輸出3種方案下的邊坡水平位移分布圖如圖10所示。
圖10 支護方案下邊坡水平位移圖
匯總3種方案下的邊坡最大水平位移值以及邊坡穩(wěn)定性系數(shù),如圖11所示。
圖11 三種方案下邊坡穩(wěn)定性對比
由圖11可以看出,初始狀態(tài)下邊坡的最大水平位移值為42.02mm,3種支護方案下的邊坡最大水平位移值都有所減小,其中重力式擋墻方案下邊坡最大水平位移值為25.40mm,相比初始狀態(tài)減小了16.14mm;而全長粘結(jié)型錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案下邊坡最大水平位移值分別減小至10.72mm、2.56mm,預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案邊坡最大水平位移值減小的最明顯。再對比分析邊坡的穩(wěn)定性系數(shù),由圖11可以看到初始狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.08,3種支護方案下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也都有所提高,其中削坡方案下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅提高至1.16,全長粘結(jié)型錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.36、1.58,錨桿支護對邊坡的整體穩(wěn)定性的提高非常明顯,且預(yù)應(yīng)力錨桿施作不同于全長粘結(jié)型錨桿的被動受力,施加預(yù)應(yīng)力下錨桿與坡面格構(gòu)梁給邊坡表層潛在滑動土體主動拉力,有效地減小了邊坡整體位移,對邊坡穩(wěn)定性的提高最為顯著。
針對某工程巖質(zhì)邊坡,基于Midas/ GTS有限元軟件對比了重力式擋墻法、全長粘結(jié)型錨桿支護法以及預(yù)應(yīng)力錨桿法三種方案下相對初始狀態(tài)的邊坡穩(wěn)定性。得到了以下主要結(jié)論:
(1)初始狀態(tài)邊坡存在潛在的呈圓弧狀的表層滑動帶,位于上層強風化石灰?guī)r夾板巖層。整體塑性區(qū)分布面積較大,最大塑性應(yīng)變值為4.97×10-2,位于強風化石灰?guī)r夾板巖層與中風化石灰?guī)r夾板巖交界處。三種支護方案下邊坡最大塑性應(yīng)變值分別減小為6.70×10-3、1.07×10-3、2.73×10-4,預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案對邊坡整體塑性區(qū)分布面積及塑性應(yīng)變值減小的最為明顯。
(2)初始狀態(tài)下邊坡的最大水平位移值為42.02mm,初始穩(wěn)定性系數(shù)為1.08;三種支護方案下邊坡最大水平位移分別減小為25.40mm、10.72mm、2.56mm,穩(wěn)定性系數(shù)分別增至1.16、1.36、1.58。結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨桿支護方案對邊坡整體穩(wěn)定性的提升最為明顯,因此方案三為該邊坡的最優(yōu)支護方案。