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        擋墻施工次序?qū)吰路€(wěn)定性影響分析

        2021-12-28 13:04:00顧中華
        福建交通科技 2021年9期
        關(guān)鍵詞:次序坡腳坡體

        ■顧中華

        (福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,福州 350004)

        福建素有“八山一水一分田”之稱。 在福建省南平、三明、龍巖等地區(qū)廣泛發(fā)育砂巖、粉砂巖、泥巖等沉積巖。 砂巖、粉砂巖、泥巖屬易滑巖組,在上述地區(qū)山區(qū)高速公路建設(shè)過程中, 邊坡災(zāi)害問題突出[1-3],造成大量的經(jīng)濟(jì)損失。 在邊(滑)坡治理過程中,常采用上部錨固工程結(jié)合下部擋墻支擋工程來穩(wěn)固邊坡。在擋墻施工過程中,經(jīng)常出現(xiàn)未嚴(yán)格控制擋墻的開挖和砌筑次序,采用“大拉槽”的施工方式削弱坡腳支撐,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的情況。 因此,本文以福建某高速互通邊坡治理為工程實(shí)例, 分析邊坡變形原因,建立三維有限元計(jì)算模型,對(duì)擋墻的開挖次序和支護(hù)時(shí)步的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬, 數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以為邊(滑)坡?lián)鯄Φ氖┕ぬ峁﹨⒖己徒梃b。

        1 工程概況

        1.1 工程簡(jiǎn)介

        該高速互通邊坡長(zhǎng)約130 m, 最大高度約30 m,原邊坡開挖坡率1∶0.75~1∶1.25,階高8 m,坡面采用護(hù)面墻和植草防護(hù)。2015 年1 月邊坡開挖至路基標(biāo)高時(shí)發(fā)生坡體開裂變形,處治方式為先坡腳反壓抑制變形發(fā)展,后采用預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)合擋墻加固。 2015 年5、6 月份,上部錨固工程預(yù)張拉完成,坡體較為穩(wěn)定。 為實(shí)施一階擋墻,“大拉槽”卸除反壓土后,在連續(xù)降雨的條件下,邊坡開始緩慢變形,并在2015 年6 月26 日急劇變形滑動(dòng),向道路橫向方向產(chǎn)生滑移,在第一階高約3~5 m 處見剪出口(其裂隙產(chǎn)狀與坡體巖層產(chǎn)狀基本一致),坡體后緣下錯(cuò)約3~6 m,坡體變形開裂或拱出;坡體二、三階已實(shí)施的錨索框架下錯(cuò)、局部框架梁斷裂,預(yù)應(yīng)力錨索被切斷,誘發(fā)滑坡產(chǎn)生。 滑坡變形及病害情況如圖1 所示。

        圖1 邊坡遠(yuǎn)景

        1.2 地形地貌

        本滑坡場(chǎng)區(qū)位屬閩西北,屬剝蝕丘陵、殘丘及沖洪積溝谷地貌,溝谷地勢(shì)相對(duì)較平坦。 滑坡區(qū)域由北向南,坡度由陡變緩,為上陡下緩地形,呈多階臺(tái)地狀,自然山坡坡度約15°~35°。

        1.3 工程及水文地質(zhì)條件

        根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告[4],場(chǎng)區(qū)坡殘積層覆蓋厚度約7.0~11.5 m, 下伏基巖為中薄層狀?yuàn)W陶系淺變質(zhì)砂巖,其風(fēng)化層較厚,約7.0~24.5 m,層理面產(chǎn)狀為220°∠25°,傾向路基方向,對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。坡腳部位巖體極破碎,可見多處不利結(jié)構(gòu)面,其中較為重要的有3 組,其特征分別為:(1)90°∠70°,約8~10 條/m,裂面呈褐灰色,平直光滑,無填充;(2)走向200°近直立,約8~10 條/m,裂面呈褐灰色,平直光滑,無填充;(3)走向245°近直立,約5~8 條/m,裂面呈褐灰色,平直光滑,無填充。 綜合分析這3 組裂隙面組合,易形成不穩(wěn)定契形體,對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定較為不利。

        本場(chǎng)區(qū)位于丘陵山地,場(chǎng)區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育,主要為降雨沿兩側(cè)山體匯入溝谷。 地下水主要為基巖風(fēng)化孔隙裂隙水, 賦存于基巖風(fēng)化層的節(jié)理裂隙中,場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育有砂巖,屬于奧陶系淺變質(zhì)砂巖,層理發(fā)育,蝕變礦物較多,質(zhì)軟,風(fēng)化層厚,多呈泥質(zhì)充填于裂隙中,透水性較差,富水程度相對(duì)較好。 場(chǎng)區(qū)主要接受大氣降水補(bǔ)給,水量受降雨影響大,山坡、山腳及盆地內(nèi)為逕流區(qū), 多沿?cái)嗔褞Ъ吧钋袦瞎扰判?,一般為無壓潛水,局部見微承壓,此類水降雨后地下水垂直徑流速度較大,對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響大。

        2 邊坡再次失穩(wěn)原因分析

        邊坡再次失穩(wěn)原因分析如下:(1)邊坡坡體風(fēng)化層及殘坡積層較為深厚,變質(zhì)砂巖風(fēng)化層中蝕變礦物多,多呈泥質(zhì)充填于裂隙中,在富水的情況下在坡體中形成軟弱帶,且?guī)r層產(chǎn)狀順傾,為邊坡開挖后坡體變形和滑坡的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。 (2)在連續(xù)暴雨的條件下,地下水位進(jìn)一步抬升,潤(rùn)滑軟弱帶,土體抗剪強(qiáng)度急劇降低,是邊坡再次失穩(wěn)的誘因之一。 (3)由于對(duì)坡腳反壓體進(jìn)行“大拉槽”式開挖的擋墻施工,極大地削弱了坡腳支撐,坡腳因土體應(yīng)力集中首先發(fā)生變形,引起上部坡體沿軟弱夾層下錯(cuò),剪切上部已實(shí)施的預(yù)應(yīng)力錨索,同時(shí)導(dǎo)致局部錨索框架梁梁體開裂和下錯(cuò)。 在坡體坡腳失去支撐和上部部分錨固工程失效的不利情況下,邊坡穩(wěn)定性不斷降低,觸發(fā)滑坡形成。 可以認(rèn)為,不當(dāng)?shù)膿鯄κ┕ご涡蚴沁吰略俅问Х€(wěn)的主要原因。

        3 數(shù)值模擬分析

        為進(jìn)一步研究擋墻施工次序?qū)吰路€(wěn)定性的影響,基于該工程案例,運(yùn)用巖土工程領(lǐng)域廣泛采用的數(shù)值模擬軟件FLAC3D 對(duì)邊坡?lián)鯄κ┕げ煌拈_挖、加固次序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,探求定性規(guī)律。

        3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

        不考慮上部預(yù)應(yīng)力錨索的影響,建立簡(jiǎn)化計(jì)算模型如下:邊坡長(zhǎng)度45 m,高24 m,坡度為30°,為三階邊坡,坡腳設(shè)擋墻加固。 每階高為8 m,設(shè)2 m寬平臺(tái),土體歸一為風(fēng)化層和軟弱夾層,軟弱夾層層面傾角為25°。模型四周邊界采用法向約束,模型下部邊界采用全約束。 邊坡模型尺寸和數(shù)值模型如圖2 所示,材料參數(shù)如表1 所示。

        圖2 計(jì)算模型斷面

        表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

        3.2 工況模擬分析

        為模擬實(shí)際工程案例中對(duì)于坡腳反壓體一次性“大拉槽”開挖,同時(shí)分析邊坡坡腳土體開挖對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的漸進(jìn)變化,建立開挖步長(zhǎng)為5 m,開挖過程不實(shí)施擋墻,開挖5、10、45 m 的3 種工況模式(圖3)。

        圖3 全長(zhǎng)開挖施工工況模式

        按5 m 步長(zhǎng)開挖邊坡安全系數(shù)和邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖4、5 所示。 隨著邊坡開挖進(jìn)程,坡腳未及時(shí)支擋加固,邊坡安全系數(shù)呈近直線下降,安全系數(shù)由初始1.25 下降至1.027, 邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。 圖5 所示的剪切應(yīng)變?cè)茍D顯示部分滑帶土體進(jìn)入塑性應(yīng)變狀態(tài), 坡腳應(yīng)力集中明顯。 計(jì)算結(jié)果表明,擋墻“大拉槽”施工方案對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大。若不及時(shí)進(jìn)行坡腳支擋加固,遇到連續(xù)降雨條件,邊坡將失穩(wěn)破壞。該計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步佐證了本文案例不當(dāng)?shù)拈_挖方式使邊坡失穩(wěn)的原因。

        圖4 全長(zhǎng)開挖邊坡安全系數(shù)

        圖5 剪切應(yīng)變?cè)茍D

        為尋求合理的擋墻施工步驟,明確適當(dāng)?shù)亻_挖坡腳土體、實(shí)施擋墻步長(zhǎng),文后簡(jiǎn)稱為開挖、加固步長(zhǎng)。 為比較在不同開挖、加固步長(zhǎng)情況下邊坡施工過程中的穩(wěn)定安全系數(shù),分別建立開挖、加固步長(zhǎng)為5、10、15 m 的數(shù)值模擬計(jì)算工況。 本文僅列出開挖、加固步長(zhǎng)為5 m 的施工流程工況示意圖(圖6),為避免重復(fù)性,其他工況不再贅列。

        圖6 開挖、加固步長(zhǎng)為5 m 施工流程

        開挖、加固步長(zhǎng)分別為5、10、15 m 的計(jì)算結(jié)果如圖7、8 所示。 計(jì)算結(jié)果表明,除初次開挖邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低外,其余時(shí)步由于擋墻加固的作用,安全系數(shù)平穩(wěn)提高。 但由圖8 看出,開挖步長(zhǎng)15 m 時(shí)初次開挖邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低幅度較大,考慮極端降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,在實(shí)際施工過程中擋墻一次開挖長(zhǎng)度建議不超過10 m。

        圖7 開挖、加固步長(zhǎng)5 m 的安全系數(shù)

        圖8 開挖、加固步長(zhǎng)10、15 m 的安全系數(shù)

        參考數(shù)值模擬分析結(jié)果,該失穩(wěn)邊坡的整治措施為立即重新實(shí)施反壓,對(duì)上部局部失效的錨固工程進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),使邊坡變形不再發(fā)展,達(dá)到暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。 采用開挖加固為步長(zhǎng)5 m 的次序進(jìn)行擋墻施工,施工過程中邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài),整個(gè)治理工程達(dá)到滿意效果。

        4 擋墻施工次序?qū)吰路€(wěn)定影響分析

        根據(jù)實(shí)際施工狀況和數(shù)值分析結(jié)果,擋墻的施工次序?qū)吰碌姆€(wěn)定性影響較大。 對(duì)于順層并有軟弱層的沉積巖邊坡,若采用“大拉槽”的施工方式,將導(dǎo)致整個(gè)邊坡的坡腳應(yīng)力集中,邊坡沿軟弱面滑動(dòng),引發(fā)邊坡失穩(wěn)。 采用小步長(zhǎng)的開挖、加固施工次序,雖然首次開挖邊坡的穩(wěn)定性有所下降,但隨著擋墻的實(shí)施,坡體的整體穩(wěn)定性逐漸提高,邊坡在施工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。 隨著開挖、加固步長(zhǎng)的加大, 首次開挖的邊坡穩(wěn)定性相較于小步長(zhǎng)的施工次序有所下降。 若步長(zhǎng)過大,首次開挖邊坡穩(wěn)定性急劇下降,在極端氣候條件下,有可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

        5 結(jié)論

        綜上所述,研究結(jié)果顯示:(1)對(duì)于存在軟弱結(jié)構(gòu)面的順層邊坡, 采用坡腳擋墻支擋時(shí),“大拉槽”開挖方式易誘發(fā)坡體變形, 應(yīng)嚴(yán)格控制擋墻開挖、加固施工次序,確保施工過程中坡體穩(wěn)定。 (2)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,隨著邊坡開挖進(jìn)程,坡腳未及時(shí)支擋加固,邊坡安全系數(shù)呈直線下降,部分滑帶土體進(jìn)入塑性應(yīng)變狀態(tài)。 (3)根據(jù)不同開挖、加固步長(zhǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果, 考慮極端降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,建議擋墻開挖、加固步長(zhǎng)控制在10 m 以內(nèi)。

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