楊 猛,拾 亭
(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,杭州 311122;2.浙江華東巖土勘察設(shè)計研究院有限公司,杭州 310030)
近年來,隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展,我國工程建設(shè)逐漸向中西部等地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜區(qū)域轉(zhuǎn)移,嚴(yán)峻的工程地質(zhì)條件對施工建設(shè)安全提出了更高的要求,其中邊坡災(zāi)害及治理是一項亟待考慮和解決的問題。高速公路、山嶺鐵道、水電站和礦山巷道等工程建設(shè)項目大多面臨高陡坡災(zāi)害風(fēng)險和治理難題,保證高陡邊坡的穩(wěn)定性是保證安全施工和長期運營的關(guān)鍵。對于最常見的公路邊坡,邊坡失穩(wěn)破壞不僅會中斷交通,嚴(yán)重時則會危害生命財產(chǎn)安全,造成巨大經(jīng)濟損失。
長期以來,相關(guān)研究人員對邊坡的失穩(wěn)和破壞機理進行了大量的調(diào)查和研究,并結(jié)合理論分析和工程實際給出了相應(yīng)的工程防治措施,其中錨桿(索)是最常見的支護方式之一。鄧宗偉等[1]指出,錨索的極限承載力與巖土體的類型、灌漿材料、斷裂面形狀等有關(guān),斷裂面形狀是計算失效時極限拉力的主要指標(biāo)。Moosavi 等[2]研究了預(yù)應(yīng)力錨索的失效模式,發(fā)現(xiàn)灌漿體和錨索的剪切應(yīng)變是影響預(yù)應(yīng)力錨索失效模式的主要控制因素。Benmokrane 等[3]對壓縮式錨索的性能進行了試驗研究,發(fā)現(xiàn)壓力型錨索的工作性能優(yōu)于張力式錨索。Fuller 等[4]研究了錨索與灌漿體之間的載荷傳遞機理,給出了錨索與灌漿體之間的傳遞荷載隨位移的演化規(guī)律。
隨著計算機的發(fā)展,數(shù)值模擬逐漸成為研究邊坡穩(wěn)定性的一種成熟有效的方法。曾祥勇等[5]設(shè)計了不同組合的預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿,采用有限元方法進行仿真分析。結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿的交錯布置能夠達(dá)到安全、經(jīng)濟的邊坡錨護效果,當(dāng)斜坡被錨定后,塑性區(qū)的分布明顯減少。吳禮舟等[6]采用有限差分軟件FLAC3D模擬錨架梁支護膨脹土路基邊坡,研究了錨架梁的長度、距離間隔、角度等主要參數(shù)對邊坡變形的影響。李寧等[7]考慮錨索剛度的影響,提出張力補償法和復(fù)合桿元件法,以真實反映邊坡錨定巖體的實際安全行為。Shen 等[8]采用抗剪強度折減法對巖石邊坡穩(wěn)定性進行了三維數(shù)值分析,研究了收斂準(zhǔn)則和邊界條件對三維邊坡建模的影響。江文武等[9]采用FLAC3D對錨桿拉拔過程進行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,錨桿的錨固效果與錨固劑的摩擦角、黏聚力和有效約束壓力呈線性正比關(guān)系。張利潔等[10]利用FLAC3D對某水電站邊坡巖體開挖過程進行了三維彈塑性數(shù)值分析,討論了巖體開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響。李英勇等[11]采用FLAC3D研究了錨索剪應(yīng)力隨錨索剛度、巖土彈性模量和預(yù)應(yīng)力變化的變化趨勢。數(shù)值模擬分析表明,錨定剪應(yīng)力的分布對預(yù)應(yīng)力的影響最為敏感。韓愛民等[12]基于工程實例進行了設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值模擬試驗,發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力、錨固角、錨固距離均對支護系統(tǒng)的內(nèi)力和支護邊坡的壓縮變形存在顯著影響。
本文對路基高邊坡失穩(wěn)的主要因素進行了總結(jié),并結(jié)合工程實例,采用FLAC3D對路基高邊坡自適應(yīng)錨索的支護效果進行了數(shù)值模擬,研究了邊坡支護前后的穩(wěn)定性,詳細(xì)分析了邊坡變形以及水平和豎向位移的發(fā)展趨勢,并評估了路基高陡邊坡的支護效果,為相似工程提供了參考。
由于地質(zhì)條件復(fù)雜,不同邊坡失穩(wěn)破壞的形式多種多樣,造成破壞的原因也各不相同。根據(jù)工程經(jīng)驗和文獻調(diào)研,造成公路邊坡不穩(wěn)定的因素主要為水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、氣候及人類工程活動等。
水文地質(zhì)條件通常包括地下水的補給、徑流和排放。氣候條件和水文地質(zhì)情況決定了地下水的富集程度和存儲情況,同時地下水位會發(fā)生不同程度的周期性變化。地下水位增加不僅導(dǎo)致了邊坡下滑力增大,而且還會使結(jié)構(gòu)平面和弱巖層的抗剪強度降低,與此同時,孔隙水壓力也隨之增加,顯著降低邊坡滑面的有效應(yīng)力,降低滑面的抗滑力,進而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。地下水位的變化是影響邊坡穩(wěn)定性變化的重要因素,許多邊坡支護工程會由于其水文地質(zhì)條件的改善而得到有效的支護。
邊坡的尺度、形狀、走向和傾角等地形地貌因素對邊坡穩(wěn)定性的影響較大。邊坡不利的尺度和形狀往往在邊坡頂部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,導(dǎo)致邊坡頂部過度拉伸變形,產(chǎn)生裂縫。坡腳產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力,剪應(yīng)力過大時會發(fā)生剪切破壞,這些影響顯著降低了邊坡的穩(wěn)定性。同時,地質(zhì)構(gòu)造與坡面的不良接觸也導(dǎo)致了邊坡的不穩(wěn)定。此外,地質(zhì)條件變化也會對邊坡的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響,不良地質(zhì)條件是滑坡失穩(wěn)的主要因素之一,妥善處理不良地質(zhì)條件是支護邊坡的重要手段。
全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣變化更加明顯,由此引發(fā)的滑坡災(zāi)害頻率加劇、危害加重。其中,降雨對邊坡不穩(wěn)定性的影響最為嚴(yán)重。特別是在暴雨、長期降雨和融雪后,邊坡極易出現(xiàn)滑移、崩塌等不穩(wěn)定問題。大量降雨和融雪增加了地下水的供應(yīng),一方面,增加了孔隙水壓力,降低了巖土強度;另一方面,減少了土壤顆粒間的摩擦,增加了邊坡的滑動力,從而降低了邊坡的穩(wěn)定性。
隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,工程建設(shè)活動對邊坡穩(wěn)定性的影響越來越直接和明顯。目前邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響的人類活動主要包括切坡、坡頂加載及地下工程開挖等。
烏木鋪高邊坡位于貴州省畢威高速公路沿線ZK93+437 至ZK94+012 段,全長575 m,最大開挖高度125 m,邊坡比1∶0.3,平臺寬度2 m。其中邊坡ZK93+680段是目前研究工作的主要重點。場地區(qū)域覆蓋著第四紀(jì)沖洪積粉質(zhì)黏土和二疊紀(jì)茂口組石灰?guī)r,場區(qū)附近有野馬川活動斷層,受斷層影響,烏木鋪高邊坡的節(jié)理和裂隙發(fā)育,巖體結(jié)構(gòu)主要以層狀或塊狀結(jié)構(gòu)為主。
該邊坡于2010 年9 月開始進行開挖,開挖后在臨空面上發(fā)現(xiàn)了部分溶洞,同時也揭露了大量的沿著邊坡形成了節(jié)理及裂縫。開挖使邊坡巖體相對破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,邊坡的穩(wěn)定性較差,如圖1 所示。
圖1 開挖后邊坡情況
為保證邊坡的安全性和抗震要求,相關(guān)人員對該邊坡采用自適應(yīng)錨索進行支護。自適應(yīng)錨索是一種壓力分散型錨索,在允許邊坡大變形的同時,可以保證錨索結(jié)構(gòu)不受破壞。本研究采用自適應(yīng)錨索對邊坡進行支護處理,錨索的支護載荷范圍為1 400~1 638 kN。圖2 為ZK93+680 段支護設(shè)計方案。
圖2 邊坡錨索支護方案
2.3.1 本構(gòu)模型
FLAC3D內(nèi)置了12 個本構(gòu)模型,其中,莫爾-庫侖模型是巖土工程中廣泛應(yīng)用的本構(gòu)模型,主要適用于在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞的巖土體。本文采用莫爾-庫侖模型對邊坡支護進行了數(shù)值模擬及分析,并假設(shè)邊坡材料滿足彈性塑性屈服準(zhǔn)則和相關(guān)的流動規(guī)律。
2.3.2 相關(guān)參數(shù)
巖土體參數(shù)包括容重、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。其中,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角是重要的抗滑參數(shù),對數(shù)值模擬結(jié)果的影響較大。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場鉆孔剪切試驗和土工試驗來取值,巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)
為使錨索能夠與巖土體較好的黏結(jié)和錨固,選取合適的灌漿材料至關(guān)重要,在邊坡支護時采用了M30型灌漿材料以達(dá)到支護效果。FLAC3D數(shù)值模擬所需的灌漿基本參數(shù)見表2。
表2 注漿材料參數(shù)
本研究采用10 排自適應(yīng)錨索對邊坡進行支護,錨索的最大長度為35 m,間距為4 m。錨固力的值范圍為1 400~1 638 kN,平均錨定長度為10 m,采用FLAC3D錨索結(jié)構(gòu)單元對錨索進行模擬,錨索的計算參數(shù)見表3。
表3 錨索力學(xué)參數(shù)
2.3.3 邊坡支護模型的建立
為便于數(shù)值計算,根據(jù)實際情況做出以下假定:①支護結(jié)構(gòu)是一個平面應(yīng)變問題;②地下水位較低,因此在模擬中不考慮地下水的影響;③錨索應(yīng)考慮沿軸向的拉力和壓縮力,但不考慮橫向剪切和彎曲效應(yīng);④錨索與周圍土壤完全接觸;⑤錨索和灌漿材料具有充分彈性,水泥漿與周圍土壤黏結(jié)牢固,無相對滑動。
該計算模型包括邊坡巖體、土體和支護結(jié)構(gòu),根據(jù)平面應(yīng)變建立計算模型,為了保證計算的準(zhǔn)確性,錨索錨固區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)劃分相對密集,共劃分3 876 個網(wǎng)格。
該計算模型底面固定,采用固定鉸支撐,坡面與邊坡頂面為自由邊界,左右邊界采用滑動鉸支撐。
在采用錨索支護前后,均采用FLAC3D軟件對邊坡進行模擬,將錨索的安裝力分為1 400、1 500 和1 600 kN 3 組,模擬其對邊坡穩(wěn)定性的相應(yīng)影響。
3.1.1 邊坡總位移
在FLAC3D中,從總位移等高線圖3 中可以看出位移矢量和滑移后坡度的變形趨勢。為更直觀地反映支護前后邊坡的位移變化趨勢,將模型計算得到的邊坡變形放大50 倍,得到邊坡的變形特征如圖3 至圖5 所示。
圖3 支護前邊坡的總位移等高線圖
圖4 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后總位移等高線圖
圖5 所有錨索支護后的總位移等高線圖
由圖3 可以發(fā)現(xiàn)開挖會影響邊坡的穩(wěn)定性,邊坡在土體自重和側(cè)土壓力的影響下,表現(xiàn)出明顯向自由面滑動的趨勢。位移范圍潛在滑體沿滑面方向大面積滑出,邊坡中下部位移最為顯著。
在采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索對邊坡進行支護后,由于錨索的作用,邊坡頂部變形量減少,但中下部的滑動趨勢仍然明顯。邊坡完全支護后的位移云圖(圖4)表明,邊坡的滑動趨勢變小,邊坡頂部的和中下部的滑動量較小,整個邊坡趨于穩(wěn)定。
3.1.2 邊坡水平位移
邊坡支護前后的水平位移等高線圖如圖6 至圖8所示??梢钥闯?,未進行支護時,水平變形集中在邊坡的中間和頂部。采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后,最大水平位移由邊坡邊緣向邊坡內(nèi)部逐漸減小。錨索全部安裝完畢后,水平位移明顯減小,水平位移從坡頂?shù)狡碌字饾u減小,最終達(dá)到最小。
圖6 支護前邊坡的水平位移等值線圖
圖7 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后的水平位移等值線圖
圖8 所有錨索支護后的水平位移等值線圖
水平位移的減小趨勢證實了自適應(yīng)錨索在烏木鋪高邊坡支護過程中的適用性。此外,采用第一組錨索(1 400 kN 和1 500 kN)后,最大水平位移沒有明顯減小。但在安裝完所有錨索(1 400、1 500 和1 600 kN)后,水平位移大幅降低,證實了錨索的聯(lián)合作用效果,驗證了支護設(shè)計的可靠性。
3.1.3 邊坡豎向位移
豎向位移等高線圖如圖9 至圖11 所示。在邊坡支護前,坡體的豎向沉降主要集中在邊坡的中上部和邊坡的頂部。第一組錨索支護后,沿邊坡上邊界和頂部的最大豎向位移減小。當(dāng)邊坡完全支護時,僅在下部存在豎向沉降。
圖9 支護前邊坡豎向位移等值線圖
圖10 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后豎向位移等值線圖
圖11 所有錨索支護后豎向位移等值線圖
為驗證自適應(yīng)錨索支護后邊坡的安全性和穩(wěn)定性,以及不同施工階段邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化和發(fā)展趨勢,采用FLAC3D程序“solve fos”命令解決邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。在第一組錨索和所有錨索支護后,按不支護3 個階段計算安全系數(shù),安全系數(shù)的結(jié)果匯總于表4。未進行支護時的安全系數(shù)為1.06,在采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后,邊坡安全系數(shù)增加到1.11。當(dāng)采用聯(lián)合錨索支護后,邊坡安全系數(shù)提高到1.29。
表4 邊坡的安全系數(shù)
圖12—圖14 表明,自適應(yīng)錨索分級支護對邊坡穩(wěn)定性存在影響,經(jīng)該支護方案支護后的邊坡穩(wěn)定。因此,可以驗證自適應(yīng)錨索分級支護方法在烏木鋪高邊坡K93+680 段公路邊坡支護中是適用和可行的。同時,基于FLAC3D強度折減法的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)更加科學(xué)合理,為準(zhǔn)確確定邊坡的實際應(yīng)力狀態(tài)提供了理論依據(jù)和數(shù)值參考。
圖12 支護前邊坡的安全系數(shù)
圖13 1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后邊坡的安全系數(shù)
圖14 所有錨索支護后邊坡的安全系數(shù)
本文對路基高邊坡失穩(wěn)的主要因素進行了總結(jié),并以烏木鋪高邊坡為研究對象,采用自適應(yīng)錨索對其進行支護,為確定錨索分級支護的有效性,本研究采用有限差分法對邊坡支護的3 個階段進行了數(shù)值模擬,分析了邊坡支護前后的變形特征及邊坡穩(wěn)定性,主要結(jié)論如下。
1)在錨索的錨固作用下,邊坡的滑動趨勢變小,邊坡水平和豎向位移明顯減小,整個邊坡趨于穩(wěn)定。
2)自適應(yīng)錨索支護方案支護后的邊坡變得更加穩(wěn)定。邊坡支護前的安全系數(shù)為1.06,采用1 400 kN 和1 500 kN 錨索支護后,邊坡安全系數(shù)增加到1.11,當(dāng)采用聯(lián)合錨索支護后,邊坡安全系數(shù)提高到1.29。