某高速公路路塹高邊坡支護方案及優化

邢培營

(廣東省公路建設有限公司,廣東 廣州 510623)

0 引言

隨著我國經濟的迅速發展,高速公路工程的建設里程逐年增長,而我國地質條件復雜,在大型邊坡治理工程中高邊坡的支護和加固往往成為公路工程建設的重要節點之一。

在對邊坡的研究中,顧婕[1]研究了加筋土邊坡的穩定性,基于強度折減法,應用有限元軟件分析了邊坡的幾何參數、加筋土參數、土體強度等對邊坡穩定性的影響,結果表明對邊坡穩定性影響大小的因素依次為土體黏聚力、內摩擦角、筋材長度、筋材間距;高馮[2]等研究了單面和雙面邊坡的穩定性,在坡體的各個參數對邊坡穩定性影響的分析中得出單面、雙面邊坡安全穩定系數的影響特征規律;馬蓓青[3]等對黃土邊坡在持續降雨工況下的穩定性進行了研究,采用FLAC3D對降雨工況進行了模擬,研究結果表明降雨時間的增加使得黃土邊坡含水量增加,土體的強度降低,沖蝕溝發育,坡腳出現坍塌、坡頂出現裂縫;葉志程[4]等采用MIDAS/GTS軟件對自然狀態、暴雨狀態、地震狀態下的邊坡穩定性進行了分析,針對各工況下邊坡穩定性的情況對潛在滑動面采用預應力錨桿進行加固,使得邊坡的穩定性達到了永久邊坡的要求;章瑞環[5]等對多級黃土邊坡的穩定性進行了研究,并給出了一種系統的分析方法,推導出邊坡在各工況下的安全系數的解析式,通過算例驗證該方法的計算結果與傳統方法的計算結果偏差為5%,進一步提升了邊坡穩定性的分析精度;楊雪菲[6]等對干濕循環下的花崗巖殘積土邊坡的穩定性進行了研究,結合室內試驗,對不同程度的干濕循環土體進行模型試驗,得到了邊坡裂縫的發展規律,認為干濕循環作用下裂隙的擴展加快了水對土體的作用,邊坡失穩的速度加快;羅戌[7]分析了類土質邊坡加固后邊坡坡體變形的特點及錨桿(索)應力的變化特征。

邊坡穩定性的研究一直在不斷發展,但我國地質條件多變,往往在不同的工程條件下對邊坡的支護和加固不同,理論研究往往滯后于工程實際應用。本文依托某高速公路路塹高邊坡工程,對邊坡支護方案下邊坡的穩定性和變形等特性進行分析,以期為工程實踐提供參考。

1 邊坡支護現狀

從邊坡的破壞機理來看,目前主要的邊坡支護措施可分為兩類:第一類為減少邊坡的下滑力,減小邊坡的荷載,如降低坡頂荷載、加固坡腳堆載、減緩坡率等,常配合應用一些臨時支護措施;第二類為增加支護結構,增大滑坡的阻滑作用,提升邊坡的穩定性,常作為永久性的邊坡結構。

本文在邊坡支護中采用格構梁、錨索抗滑樁等結構對邊坡進行支護加固?？够瑯逗透駱嬃憾际窃诠こ虘弥斜容^廣泛的工法,技術成熟,但在邊坡的支護中設計相對保守,容易造成資源的浪費。本文采用錨索抗滑樁和格構梁共同作用的方式對邊坡進行支護處理,分析該方案的邊坡穩定性和變形規律。

2 工程概況

本文以某實際工程為背景進行分析。某高速公路高邊坡路塹段地形復雜,高低不平,總體南北低、中部高。該路塹高邊坡位于路線樁號為K12+150.265～K12+265.123段,高邊坡工段長約110m。設計路面標高與自然邊坡高差較大,自然邊坡夾角較大,表層為發育良好的灌木。踏勘現場未發現不良的地質現象,偶在坡面發現少量裂隙,不利于路塹邊坡的開挖。地勘資料顯示,該區域基巖屬于白堊紀早世侵入巖,上覆蓋新生界第四系。擬建項目在K12+180橫斷面處坡面最高,該處的地層情況自上而下可分為5層,如圖 1中編號①～⑤所示。第①、②層為粉質黏土,黃、灰色,含粉細砂,局部呈可塑、硬塑狀,厚度為6～9m;第③層為砂質粘性土,紅褐、黃色,含中砂量較多,局部可見殘余巖塊,遇水軟化、崩解,厚度為2～3m;第④層為花崗巖殘積土,黃褐色,易軟化、崩解,厚度為7～8m;第⑤層為碎塊狀花崗巖,結構清晰、碎塊狀,厚度為8～9m。

圖1 K12+180橫斷面(單位:m)

如圖 1所示,根據地勘資料和地層走向,對路塹高邊坡進行支護處理,采用抗滑樁和格構梁對邊坡進行加固?？够瑯稑堕L20.5m、樁徑1.5m,縱向間距為3.5m,埋入土層的深度為9m。采用3根錨索對抗滑樁施加預應力。錨索分別位于抗滑樁樁頂每3m的間隔進行設置,錨索與水平面的夾角為30°。錨索1和錨索2的預應力為300kN,錨索3的預應力為200kN。樁頂以上部分,采用坡率法進行放坡處理,坡率為1∶1。坡面采用格構梁和錨桿進行處理,錨桿的預應力均為70kN,與水平面的夾角為15°。錨桿和錨索均采用壓力分散型,保證錨索和錨桿的錨固作用。

3 數值模擬分析

3.1 邊坡模型

針對本次邊坡的方案情況,選擇MIDAS/GTS數值模擬軟件對邊坡方案進行分析。MIDAS/GTS軟件內置多種本構模型,在對復雜工況的模擬計算中應用廣泛,其理論基礎與運算模式得到了廣泛的認可。為保障模型建立的合理性和有效性,本次建立的模型采用2D進行模擬,模型結構參考圖 1中所示的幾何尺寸。對土層的模擬采用平面應變單元,本構模型選用Mohr—Coulomb,格構梁、抗滑樁、錨索、錨桿則采用1D結構單元進行模擬,本構模型為彈性。其中錨索分別進行自由段和錨固段的劃分,在錨固段施加預應力,土層單元的參數參考地勘資料,各結構單元和土層單元的網格密度均為1m。模型的參數見表1,計算模型如圖 2所示。

表1 模型參數

圖2 有限元模型

模型建立后首先對自然邊坡的狀態進行恢復,初始地應力平衡,再進行模擬開挖和實施支護措施。采用強度折減法對邊坡的穩定性進行計算。

3.2 計算結果分析

3.2.1 邊坡穩定性

對邊坡自然狀態的有效塑性區云圖進行分析,如圖 3所示。

有效塑性區能夠反映邊坡土體的塑性狀態,塑性區發育較大的區域為邊坡的不利位置,土體容易受到破壞。由圖3可見,自然狀態下邊坡坡腳處塑性區的發育最大,是邊坡最不利的位置。邊坡開挖后,坡腳處的塑性區被挖除,此時的抗滑樁設置位置穿過塑性區,樁頂的坡面向上延伸,阻礙了自然邊坡塑性區的發育。加固后經過強度折減法的計算,邊坡的最終穩定系數為1.65,符合《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)對高速公路路塹邊坡穩定系數的要求。

圖3 邊坡有效塑性區云圖

邊坡的穩定系數不能完全反映邊坡的穩定情況,還應對邊坡結構的位移變化情況進行分析。本文對抗滑樁樁身的水平位移值進行分析,如圖4所示。

圖4 樁身水平位移

由圖4可知,抗滑樁的樁身水平位移值呈上部大、下部小的變化形式,樁頂的水平位移值為13.5mm,樁底的水平位移值為2.5mm。自上而下呈斜“7”字形,水平位移的最大值位于樁身高度15m處,為15.3mm。樁身的這種變化曲線說明在邊坡開挖后,樁身位移隨樁身高度的增加而增大,但在樁身高度15m處出現拐點。這是因為預應力錨索為抗滑樁提供了一個作用于邊坡滑動反向的錨固力,在錨索與抗滑樁的共同作用下,樁身上部的水平位移值有所減小,樁頂的水平位移值未隨樁身高度的增加而持續增大,樁頂位移值得到了有效的限制。因此,預應力錨索的實施,有利于限制樁頂的水平位移,可在工程對樁頂水平位移有較高要求時起到良好的效果。

3.2.2 抗滑樁受力

對抗滑樁樁身的受力情況進行分析,分為加錨索和不加錨索兩種工況進行對比分析。圖 5所示為加錨索和不加錨索兩種工況下抗滑樁樁身的剪力變化情況。

由圖 5可知,在樁身的剪力變化中,加錨索與不加錨索兩種工況的剪力變化大致趨勢一致,均為兩端小、中間大。最大值均在樁身高度9m處,不加錨索的最大值為1 000kN,加錨索的最大值為630kN。由圖5可見,不加錨索工況的剪力最大值和樁身0～6m范圍內的剪力值均比有錨索的工況大,而加錨索工況的剪力值僅在樁身14～22m范圍內的剪力值較大。樁身在施加錨索后,抗滑樁與錨索連接處受到預應力錨索的預應力,使得樁身14～22m范圍內的剪力值局部增大,但同時樁身其它地方的剪力值均得以減小。這說明實施預應力錨索不僅能夠減小樁身所受的剪力,還可均衡樁身的剪力分布,使得樁身所受的剪力分布更加均勻,對樁身受力配筋設計有利。

圖5 抗滑樁樁身剪力變化

對樁身加錨索和不加錨索兩種工況下的樁身彎矩進行分析,如圖 6所示。

由圖6所示在兩種工況下樁身的彎矩變化情況可知,兩種工況下抗滑樁的樁身彎矩圖形基本一致,均呈數字“3”的形狀,均在樁身高度為8m有彎矩值的反向變化。不施加錨索的彎矩最大值出現在樁身高度6m處,最大值為2 850kN·m,此處為樁身埋置地面以下3m處。加錨索后,樁身的彎矩情況發生了較大的變化,最大值在樁身高度12m處,最大值為1 200kN·m。相較于不加錨索的工況,加錨索后樁身的彎矩值不僅在數值上大幅度減小,并且整個樁身的彎矩分布情況也隨之發生改變,使得樁身彎矩值分布更加合理。

圖6 抗滑樁樁身彎矩變化

3.3 方案優化

考慮不同樁間距對邊坡穩定性的影響,本文對樁間距為2.5m、3.5m和4.5m的穩定性進行分析,分析結果如圖7所示。

圖7 邊坡穩定系數變化

由圖 7可知,邊坡的穩定系數隨樁間距的增大而逐漸減小,在樁間距2.5～3.5m時減小幅度較小,在樁間距3.5～4.5m時減小幅度較大,這說明樁間距的增大對樁間土拱的形成影響較大。合理的樁間距能夠在保證邊坡穩定的基礎上節省工程造價,因此,本次邊坡的樁間距可調整為4.5m。

4 結論

本文采用MIDAS/GTS有限元軟件對路塹高邊坡支護方案進行了模擬,對邊坡結構的穩定性、變形和受力情況進行了分析,得到以下主要結論:

(1)抗滑樁設在貫穿塑性區的位置,整個支護體系有利于邊坡的穩定性,穩定系數為1.65。

(2)抗滑樁樁身水平位移自上而下呈斜“7”字形變形,最大值為位于樁身高度15m處,為15.3mm。

(3)錨索的施加有利于減小樁身的剪力值和彎矩值,同時也有利于樁身剪力值和彎矩值的均勻分布。施加錨索抗滑樁的樁身最大剪力值為630kN,最大彎矩值為1 200kN·m。

(4)對不同樁間距工況下邊坡的穩定性進行分析,得出合理的樁間距為4.5m。