張海俊，汪昱洲

(廣東粵路勘察設(shè)計有限公司,廣州 510635)

0 引言

結(jié)合地形地質(zhì)選線是公路路線設(shè)計的主要方法之一，一般而言總體設(shè)計時會充分利用地形展線，在合理利用指標(biāo)的同時降低工程規(guī)模。實際工程中為了使總體設(shè)計最優(yōu)，不可避免地會出現(xiàn)深挖路塹，根據(jù)設(shè)計文件編制辦法，深挖路塹應(yīng)作為工點單獨設(shè)計。高邊坡設(shè)計前，需綜合考慮邊坡的工程地質(zhì)條件、坡形坡率等因素，采用合理的穩(wěn)定性分析方法，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算并作出相應(yīng)的評價，根據(jù)規(guī)范要求的安全系數(shù)與穩(wěn)定性分析結(jié)果擬定合理的加固方案。

本文以省道221線大埔段改造工程某路塹高邊坡為例，采用有限元方法模擬邊坡工況，分析開挖后山體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生重大變化的邊坡安全系數(shù)，結(jié)合計算云圖分析擬定加固方案，驗算加固后邊坡的安全系數(shù)、最大剪切應(yīng)力的變化等。

1 工程概況

省道221線大埔段改造工程(大埔縣城段)K50+650～+814段左側(cè)，屬于高邊坡。該處邊坡土質(zhì)為砂質(zhì)粘性土、全-中風(fēng)化花崗巖，根據(jù)已開挖的邊坡現(xiàn)狀觀察，局部出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，部分邊坡巖層順層，存在安全隱患，易產(chǎn)生整體塌方或滑坡。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，主要地層巖性為：

(2)強風(fēng)化花崗巖：褐黃色、淺肉紅色,結(jié)構(gòu)大部分破壞,礦物成分顯著變化,風(fēng)化裂隙發(fā)育,干鉆不易鉆進(jìn)?？咨?～26.4m巖芯以砂土狀為主,局部夾塊狀、碎塊狀;孔深26.4～30.1m巖芯以短柱狀～碎塊狀為主,局部夾砂土狀;巖芯手掰可碎～錘擊易碎,屬極軟巖。本層土、石等級為Ⅲ～Ⅳ級，土、石類別為硬土～軟石。本層層頂高程148.39m，厚度30.1m。

(3)中風(fēng)化花崗巖：褐黃色、肉紅色，花崗結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,裂隙較發(fā)育。巖芯以短柱狀為主，巖芯錘擊聲稍脆，難碎，屬較硬巖。層頂深度30.1m，層頂高程118.29m，厚度1.9m。本層土、石等級為Ⅴ級，土、石類別為次堅石。

(4)微風(fēng)化花崗巖：肉紅色，色鮮，花崗結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,裂隙稍發(fā)育。巖芯呈長柱狀、柱狀夾短柱狀，巖芯錘擊聲脆，難碎，屬堅硬巖。本層未揭穿，層頂深度32m，層頂高程116.39m，揭露厚度3.16m。本層土、石等級為Ⅴ級，土、石類別為次堅石。

圖1 現(xiàn)狀邊坡地質(zhì)剖面

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 總體設(shè)計思路

路塹邊坡的設(shè)計是否合理是決定路塹邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵，其包括確定坡形、坡率、邊坡高度和加固與防護(hù)結(jié)構(gòu)的類型等，故在一定的工程地質(zhì)條件下，路塹邊坡的穩(wěn)定性取決于設(shè)計的坡形坡高及加固措施是否與地質(zhì)條件相適應(yīng)[6]。

本文選取最不利剖面K50+770處分析其穩(wěn)定性。本邊坡巖土體以強風(fēng)化、中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖為主，山體高聳，為避免剝山皮大規(guī)模開挖擾動山體，采取較陡的坡率開挖臺階并加固。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，花崗巖類風(fēng)化最大的剪切應(yīng)變一般位于巖層交界處，且一般為圓弧形滑動。根據(jù)降雨資料分析，該區(qū)降雨量大，因此進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，地表水對坡面穩(wěn)定影響顯著，應(yīng)考慮土體達(dá)到飽和狀態(tài)下對邊坡穩(wěn)定的影響。C、φ采用飽和快剪指標(biāo)，暴雨及連續(xù)降雨工況下根據(jù)土工試驗和本地區(qū)類似的工程進(jìn)行折減。

有限元是邊坡穩(wěn)定性分析中采用較多的一種數(shù)值方法，它能滿足靜力平衡與應(yīng)變相容條件，考慮了巖體的不連續(xù)性和非均質(zhì)性，將無限自由度的結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)化為有限自由度的等價體系，還能夠模擬土體與支護(hù)的共同作用[7]。其優(yōu)點是不但能進(jìn)行線性分析還可以進(jìn)行非線性分析，但有限元方法在實際工程中受物理參數(shù)選取的影響較大，對大變形求解、應(yīng)力集中等問題的求解尚有待改進(jìn)[2]。本文采用邁達(dá)斯軟件SoilWorks建立有限元模型(強度折減系數(shù)法SRM)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，為加固方案提供理論基礎(chǔ)。

2.2 邊坡坡率及加固方案的擬定

路塹高邊坡設(shè)計遵循“減載、固腳、強腰、排水”的原則，貫徹“建綠色通道，走環(huán)保之路”、“恢復(fù)自然、水土保持、綜合治理、因地制宜、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)美觀”的理念。在卸載受限制、放坡對自然植被影響嚴(yán)重的路段，采取適當(dāng)收坡并加固的措施進(jìn)行防護(hù)[1]。本文選取K50+770最不利的邊坡剖面分析，其第一、二級邊坡按1∶0.75放坡，三級及以上邊坡按1∶1放坡，每級坡高10m，平臺寬2m。通過分析計算及經(jīng)濟(jì)對比，在第二、三級邊坡設(shè)置錨索+框架梁的方案較優(yōu)。設(shè)計參數(shù)為：錨索設(shè)計總長30m，自由端長20m，錨固端長10m；豎向間距3m，水平間距2m；施加預(yù)應(yīng)力400kN；框架梁豎、橫向梁尺寸為40cm×40cm，間距200m×300m。

2.3 路塹邊坡模型的建立

利用邁達(dá)斯SoilWorks軟件，采用強度折減法，根據(jù)地質(zhì)勘察資料建立數(shù)值模型。本邊坡處治高差大、精度要求高，模型建立時邊界條件充分考慮邊界效應(yīng)對計算精度的影響。X方向計算長度取邊坡水平尺寸的2倍，Z方向計算長度取邊坡尺寸的1.5倍，計算模型長175m、高100m。模擬計算時假定邊界約束在坡體前后兩側(cè)沒有水平位移，而坡體底部則沒有任何位移，錨桿、錨索均在彈性狀態(tài)下工作。[3]SoilWorks模型元素包含四個面、錨索和框架梁等元素，采用有限元的理論對四個面賦予地基特性，對錨索和框架等賦予結(jié)構(gòu)特性，最后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文建立的模型共計12 932個單元，26 279個節(jié)點，本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖。支護(hù)材料參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)材料參數(shù)

圖2 邊坡穩(wěn)定計算模型

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告建議值、室內(nèi)試驗及以往工程經(jīng)驗，并依照規(guī)范要求得到各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)(表2)，其中在暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)下，表層土凝聚力C折減為55kPa，內(nèi)摩擦角折減為27°。

圖3 錨索+框架梁模型(單元劃分)

表2 土層材料參數(shù)

2.4 穩(wěn)定性

為了確保路基的安全性，適當(dāng)提高安全系數(shù)。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)公路等級一級公路，取正常工況安全系數(shù)最大值K=1.30，暴雨工況安全系數(shù)最大值K=1.20。采用有限元應(yīng)力折減法，自動搜索破裂面。

表3 路塹邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)計算結(jié)果，未加固前正常工況現(xiàn)狀邊坡K=1.162 5，暴雨工況現(xiàn)狀邊坡K=0.987 5，邊坡安全系數(shù)不滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)的要求。特別是在暴雨工況下，邊坡在設(shè)計坡率下不能保持穩(wěn)定，坡體可能出現(xiàn)嚴(yán)重的變形、坍塌或其它破壞，對道路安全有嚴(yán)重影響。

從圖4與圖5最大剪切應(yīng)變云圖可知，無論是正常工況還是暴雨工況，潛在滑動面均位于強風(fēng)化與中風(fēng)化交界處，主要是強風(fēng)化物理力學(xué)參數(shù)低于中風(fēng)化層，在兩層之間產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，邊坡巖土體有相對位移的趨勢。

圖4 最大剪切應(yīng)變云圖(正常工況現(xiàn)狀邊坡 K=1.162 5)

圖5 最大剪切應(yīng)變云圖(暴雨工況現(xiàn)狀邊坡 K=0.987 5)

根據(jù)模型計算結(jié)果，框架梁+錨索的加固方案正常工況加固后的邊坡K=1.35，暴雨工況加固后的邊坡K=1.25，均滿足規(guī)范要求。

由圖6與圖7可知，邊坡加固后，坡體內(nèi)力發(fā)生變化。正常工況下最大剪切應(yīng)變從坡腳移動到第三級邊坡坡頂處，處于非貫通狀態(tài)；暴雨工況下最大剪切應(yīng)變?nèi)栽谄履_處，但應(yīng)力分散至第一級坡腳及第三級坡頂，且安全系數(shù)達(dá)到1.25，滿足規(guī)范要求。由圖8可知，加固前暴雨工況下總位移最大的區(qū)域在前五級邊坡，最大位移為0.43m，潛在滑動面基本與最大剪切應(yīng)變一致。由圖9可知，錨索穿過潛在滑動面嵌入微風(fēng)化加固后，改變了加固前的潛在滑動面，邊坡整體呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，最大位移3.09mm。

圖6 最大剪切應(yīng)變云圖(正常工況加固后邊坡 K=1.35)

圖7 最大剪切應(yīng)變云圖(暴雨工況加固后邊坡 K=1.25)

圖8 總位移云圖(暴雨工況加固前邊坡)

圖9 總位移云圖(暴雨工況加固后邊坡)

圖10 錨索軸力(暴雨工況加固后邊坡)

根據(jù)上述計算結(jié)果，正常工況現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.162 5，加固后邊坡安全系數(shù)為1.350 0；暴雨工況現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為0.987 5，加固后邊坡安全系數(shù)為1.250 0；取最不利暴雨工況，錨索軸力最大值296.2kN,最大位移3.09mm(錨索與框架梁直接處)。邊坡支護(hù)加固后，各項計算數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，且具備一定的富余。因此，加固方案有效地改善了巖土體的應(yīng)力狀態(tài)和潛在滑動面狀態(tài)，邊坡發(fā)生破壞的可能性小，加固方案是合理的。

3 錨索設(shè)計及驗算

錨固體的承載能力由注漿體與錨孔壁的黏結(jié)強度、錨索與注漿體的黏結(jié)強度及錨索強度等控制，設(shè)計時應(yīng)取小值。經(jīng)過驗算，錨桿(索)錨固體與巖土層間的抗拔力為667kN，錨桿(索)桿體與錨固砂漿間的抗拔力為627kN。該邊坡最不利工況下錨索最大軸力為296.2kN，因此，錨索設(shè)計安全。

4 結(jié)語

(1)邁達(dá)斯SoilWorks軟件強度折減系數(shù)法(SRM)是通過逐漸減少剪切強度直到計算不能收斂為止，將沒有收斂階段視為破壞，將此時的最大強度折減率作為邊坡的最小安全系數(shù)[4]。有限元模擬方法計算結(jié)果精確度高，從錨桿內(nèi)力、巖土單元應(yīng)力應(yīng)變、塑性變形、破壞狀態(tài)、位移等多個維度分析巖土體的物理狀態(tài)，為高邊坡加固方案費用效益最佳提供理論依據(jù)。

(2)通過路塹高邊坡工程實例的邊坡穩(wěn)定性分析，正常工況下錨索加固前安全系數(shù)K=1.162 5，加固后安全系數(shù)K=1.350 0，提高了約16.13%；暴雨工況下錨索加固前安全系數(shù)K=0.987 5，加固后安全系數(shù)K=1.250 0，提高了約26.58%。通過分析，暴雨工況下邊坡安全系數(shù)提升顯著，對于暴雨多發(fā)地區(qū)而言，本文提出的加固支護(hù)方案能有效地解決高邊坡的穩(wěn)定性問題，可供類似工程參考。

(3)路塹高邊坡是勘察設(shè)計的重要工點，除了必要的土工試驗外，建議結(jié)合當(dāng)?shù)仡愃乒こ痰慕?jīng)驗，驗算在初步擬定坡率下的應(yīng)力應(yīng)變、最大位移、巖土體破壞狀態(tài)等。如初步擬定的坡率安全系數(shù)低，則應(yīng)考慮調(diào)整坡率，避免加固處治效果欠佳或工程造價太高。

(4)本文路塹高邊坡工程實例在加固后最不利工況下安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，最大軸力為296.2kN，小于通過擬定的參數(shù)反算錨固體與土層及錨索與砂漿的抗拔力，因此，錨索在施加400kN預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)下是安全的。