徐廣勇，李 偉

（費(fèi)縣許家崖水庫管理中心,山東 費(fèi)縣 273400）

1 前言

隨著公路、鐵路、水利工程的建設(shè),巖削坡失穩(wěn)問題愈發(fā)引起重視。雖然在天然工況下能夠自穩(wěn),但人工開挖后極易發(fā)生垮塌,且用傳統(tǒng)的擋土墻加固巖削坡效果欠佳。許多學(xué)者針對(duì)巖削坡進(jìn)行了相關(guān)研究,唐進(jìn)[1]等科學(xué)劃分了國(guó)道318 藏東段的巖削坡類別,利用數(shù)值模擬的方法,分析了巖削坡失穩(wěn)因素與邊坡穩(wěn)定的相關(guān)性,最后通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,建立了巖削坡穩(wěn)定性判定模型。王成華[2]等通過野外調(diào)查和模型試驗(yàn),分析了花管微型樹根樁的設(shè)計(jì)核心、固砂理念,并認(rèn)為巖削坡的加固核心應(yīng)在穩(wěn)定坡體,保護(hù)坡腳上。

總結(jié)現(xiàn)有研究可得,學(xué)者們主要從理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)等方法探究了巖削坡的治理方法,但此類研究方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,少有學(xué)者從數(shù)值模擬的角度分析研究巖削坡的加固措施,本文基于Flac3d 數(shù)值模擬軟件,以某水庫庫岸巖削坡治理為研究對(duì)象,模擬采用微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的加固方案進(jìn)行加固,從邊坡位移與加固措施位移的角度,研究該加固方案的可行性。

2 巖削工程概況

圖1 為某水庫庫岸巖削坡示意圖,該模型中上部為土石混合體,下伏基巖為砂巖,該巖削坡底部長(zhǎng)100 m,左邊界高60 m,右邊界高30 m,巖削坡厚度為30 m,坡角為30°。該巖削坡擬采用三級(jí)開挖方式（圖中陰影區(qū)域）,開挖坡率為1∶1。該區(qū)域受地震和構(gòu)造影響作用較小,不存在特殊巖土體。

圖1 巖削坡示意圖

由于傳統(tǒng)的支護(hù)措施難以有效支護(hù)巖削坡,文本根據(jù)前人研究結(jié)果[3-4],總結(jié)得出微型鋼管樁抗彎和承載能力均較強(qiáng),故擬采用微型鋼管樁對(duì)邊坡坡頂進(jìn)行加固,同時(shí)考慮到巖削坡的組成成分為土石混合物,坡面往往容易受地震作用產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,固擬采用錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)對(duì)坡面進(jìn)行加固,錨索自由段6 m,錨固段10 m。

根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,確定該巖削坡砂巖及土石混合物的物理力學(xué)參數(shù),測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 巖削坡組成成分物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

邊坡形態(tài)、開挖方式、巖層成分均嚴(yán)格遵守地質(zhì)勘查報(bào)告資料,圖2 為采用Flac3d 建立的三位模型圖,模型采用四面體結(jié)構(gòu)單元,共計(jì)35800 個(gè)單元,40217 個(gè)節(jié)點(diǎn),模型底面固定約束,側(cè)面邊界采用軸支撐。

圖2 Flac3d 數(shù)值模型圖

3.2 參數(shù)取值

微型鋼管樁采用pile 單元模擬,錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)采用line 單元模擬,錨索采用cable 的單元模擬,錨索長(zhǎng)10 m,襯砌單元、樁單元和錨索單元力學(xué)參數(shù)見表2、表3 和表4。

表2 襯砌單元力學(xué)參數(shù)

表3 微型樁單元力學(xué)參數(shù)

表4 錨索單元力學(xué)參數(shù)

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 巖削坡加固穩(wěn)定性分析

圖3 為巖削坡開挖后未采取支護(hù)措施時(shí)的位移云圖,由圖可知,邊坡最大位移達(dá)到47 mm,平均位移為25 mm,坡體將出現(xiàn)貫通面,可見巖削坡穩(wěn)定性較差,極易發(fā)生失穩(wěn)垮塌。圖4 為采用微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)后的坡體位移云圖,可以看出,坡體整體位移得到控制,最大位移僅為5.6 mm,滿足工程安全要求。

圖3 支護(hù)前邊坡位移圖

圖4 支護(hù)后邊坡位移圖

根據(jù)巖削坡采用支護(hù)措施前后的位移云圖可知,邊坡坡腳位移均較大,坡頂位移較小,因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注邊坡坡腳位移。本文設(shè)置三個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別位于一、二、三級(jí)邊坡坡腳附近,得到位移檢測(cè)曲線見圖5。從圖中可知,一級(jí)邊坡坡腳位移較小,位移整體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),達(dá)到1.2 mm左右保持穩(wěn)定。二、三級(jí)邊坡坡腳位移較大,位移整體呈現(xiàn)先急速增長(zhǎng),后緩慢減小,最后緩慢增長(zhǎng)至5.5 mm 左右保持穩(wěn)定。

圖5 邊坡坡腳位移變化圖

3.3.2 巖削坡加固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

圖6 為主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)位移云圖,從圖中可知,三個(gè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)位移呈現(xiàn)自上而下位移逐漸增加的規(guī)律,且三級(jí)邊坡位移＞二級(jí)邊坡位移＞一級(jí)邊坡位移,最大位移位于三級(jí)邊坡坡腳,數(shù)值為27 mm。綜合來看,主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)整體位移均小于50 mm,滿足工程安全要求。實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注二、三級(jí)邊坡坡腳處的位移,防止出現(xiàn)坡腳破壞,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

圖7 為微型鋼管樁的位移云圖,由圖可知,鋼管樁整體位移呈現(xiàn)中部位移較大,兩側(cè)位移較小的規(guī)律,這是因?yàn)殇摴軜吨胁刻幱陂_挖邊坡坡腳附近,受巖削坡下滑力作用,導(dǎo)致鋼管樁中部位移較大。同時(shí),一級(jí)邊坡鋼管樁位移＞二級(jí)邊坡＞三級(jí)邊坡,這是因?yàn)橐患?jí)邊坡處鋼管樁受下滑力最大的原因。鋼管樁最大位移為2.6 mm,遠(yuǎn)小于工程安全要求10 mm,處于穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際工程中,可采取增加一級(jí)邊坡處的鋼管樁密度的方法來約束坡腳位移。

圖7 微型鋼管樁位移云圖

圖8 為錨索的位移應(yīng)力云圖,可以看出,錨索自由段位移均大于鎖固段位移,這符合坡面處位移大于坡體位移的規(guī)律。而三級(jí)邊坡的錨索位移＞二級(jí)邊坡＞一級(jí)邊坡,這亦符合邊坡坡面位移規(guī)律,整體錨索位移偏小,最大位移值為18 mm,小于工程安全要求30 mm,說明本文采用的錨索結(jié)構(gòu)支護(hù)時(shí)具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 錨索位移云圖

4 結(jié)論

以某水庫庫岸巖削坡為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬的研究方法,從巖削坡位移以及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度,研究微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)方案的可行性。研究結(jié)果如下：

（1）巖削坡在人工開挖后,三級(jí)邊坡坡腳產(chǎn)生47 mm 的最大位移,二級(jí)邊坡坡腳產(chǎn)生38 mm 位移,一級(jí)邊坡坡腳位移較小,僅為12 mm。巖削坡坡體出現(xiàn)貫通面,整體位移較大,已超出工程允許范圍,固有較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),需采取相應(yīng)加固措施。

（2）采取微型鋼管樁結(jié)合錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的支護(hù)方案能夠有效約束邊坡位移,邊坡坡腳位移較大,三級(jí)邊坡坡腳位移＞二級(jí)邊坡＞一級(jí)邊坡,最大位移為5.7 mm,坡體不再出現(xiàn)貫通面,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）微型鋼管樁、防護(hù)網(wǎng)、錨索位移均在工程安全范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)際工程中,應(yīng)注意三級(jí)邊坡坡腳處的錨墩式主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和一級(jí)邊坡鋼管樁發(fā)生位移破壞,可適當(dāng)增加該區(qū)域相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。