高速公路邊坡錨桿加固設計與加固效果的數(shù)值模擬
2015-06-15
邊坡失穩(wěn)前一刻，邊坡是處于臨界或接近臨界極限平衡狀態(tài)的，邊坡自身抗滑力接近下滑力，因此，在邊坡失穩(wěn)之前只需要提供小部分抗滑力，邊坡就能保持穩(wěn)定。但是邊坡一旦失穩(wěn)，邊坡的巨大塌方量會導致災難性后果的產生，而且由于抗滑力的顯著降低甚至消失，此時再加固，治理費用也是巨大的。如果我們在邊坡失穩(wěn)前根據(jù)邊坡工程地質情況，提前對邊坡進行穩(wěn)定性分析，結合失穩(wěn)前邊坡本身抗滑力情況，主動提出加固治理方案，將大大減少不必要的經濟損失。
1工程概況
X高速全長104.836公里，全程設計特大橋3座3090米，大橋76座23556米，長隧道 6座8519米，中短隧道10座6553米。以X高速公路 K91+200-K91+350 路塹邊坡為例，坡高 20m，據(jù)邊坡設計上部 10 m 高，坡比為 1∶1.25，下部 10 m，坡比為 1∶1，兩級邊坡中間有一寬2m 平臺。該路塹邊坡為強風化泥質粉砂巖，具有強度低、軟化系數(shù)小、干濕循環(huán)后易崩解等特點；同時，該紅砂巖邊坡的巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育。
2邊坡加固方案
路塹邊坡上部截水溝依滑坡頂部走勢布置，內截面尺寸為 600mm400mm；坡體上排水溝布置在中間平臺上，內截面 500mm500mm；排水溝的縱向坡率取0.5%，中間高，兩側低。坡體水流向兩側分流，材料采用漿砌片石，砂漿等級M10。
地表及地下水豐富，在加固工程施工時應參考《土木工程施工》采取必要的降水措施，排出邊坡水。
考慮到紅砂巖特殊性質，水對邊坡穩(wěn)定性影響很大，坡面防水是非常重要的，采用噴錨支護對紅砂巖邊坡進行加固，噴錨加固可以使破碎風化的紅砂巖完整性得到加強，錨桿的錨固力能夠滿足抗滑力和邊坡長期穩(wěn)定性的要求，同時噴層護坡可以防止雨水入滲造成對微分化巖體的軟化和弱化，從而更好地發(fā)揮錨桿的加固作用。
3邊坡預應力錨桿加固設計
3.1 邊坡剩余下滑力計算
采用傳遞系數(shù)法對邊坡剩余下滑力進行計算，傳遞系數(shù)法又稱為折線法，這主要是因為最初提出傳遞系數(shù)法是針對折線型滑動面邊坡，它是我國獨創(chuàng)的邊坡穩(wěn)定分析方法，是驗算山區(qū)土層沿著巖面滑動最常用的邊坡穩(wěn)定性驗算法，同時也用于有不規(guī)則結構面的破碎巖體邊坡的穩(wěn)定性分析。本文強風化紅砂巖邊坡最危險滑動面為圓弧滑面，取各分條中線與最危險滑面交點處的圓弧切線代替折線型滑面。
根據(jù)邊坡剩余下滑力計算公式計算邊坡剩余下滑力，邊坡抗剪強度參數(shù)取不考慮地下水情況下數(shù)值分析法參數(shù)反算的結果，c=28.6 kPa，φ=18°。
用傳遞系數(shù)法計算邊坡剩余下滑力，最后計算得邊坡剩余下滑力 P滑=556.99KN，即計算邊坡安全系數(shù) k=1.30 時，邊坡需要錨固力為 556.99kN/m。
3.2 設計錨固力計算
P滑可分解為對錨桿的拉拔力 T錨和剪力 T剪（如圖3），根據(jù)平衡條件有：
根據(jù)《公路路基設計規(guī)范（JTGD30-2004）取錨桿安全系數(shù) K=2.0。
代入上式得：T錨=1046.80KN； T剪=381.00KN
3.3 錨桿設計
根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范 (GB50010-2002) 》及 T錨、T剪計算結果，選用冷拉III級鋼筋32，鋼筋截面面積 804.2mm2, 抗拉強度標準值 fyk=500N/mm2，鋼筋的最大張拉力不應超過鋼筋抗拉強度標準值的 75%，經計算取 300kN，鋼筋材料強度設計值fy=420N/mm2，可計算得到允許的設計拉拔力為 338kN。
根據(jù)坡面幾何尺寸，每米長度邊坡沿坡面布置 4 根錨桿，單根錨桿設計承載力
(滿足要求)
鋼筋承受剪力（抗剪強度滿足要求）
所研究紅砂巖邊坡為強分化泥質粉砂巖，按中密碎石土考慮，根據(jù)《公路路基設計規(guī)范（JTGD30-2004）》，地層與錨桿注漿體之間的粘結強度可取為 80kPa。
最后，取定錨桿錨固長度 L=9m（>8.68m）。根據(jù)邊坡幾何參數(shù)等情況，設計選定錨桿水平間距為 2.0 米，沿坡面豎向層距為 2.5 米，則平均 2 米長度的邊坡沿坡面布置錨桿共 8 根。（按計算，單位長度邊坡需 4 根錨桿）。
4加固效果數(shù)值分析
4.1錨桿的 FLAC3D 模型
采用錨索構件單元模擬錨桿，錨索結構是彈塑性材料，在邊坡中承受拉壓以及剪力。當錨桿與巖土體發(fā)生相對位移或者有相對位移趨勢時，其界面上產生相應的抵抗力。錨索構件在模型中是通過局部坐標定義的，錨索單元有兩個自由度，相對于軸向位移有其相應軸向力。
用一維本構模型來模擬錨桿的軸向特性，在實踐中被證明是適合的，錨桿的軸向剛度 K、彈性模量 E、加固橫截面 A 以及構件的長度 L 之間的關系可以用下面表達式來表達：
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錨桿結構與巖土體的接觸面具有粘結性和摩擦力，理想的情況下，在節(jié)點軸向上可以采用彈簧滑塊來描述系統(tǒng)。當錨桿與水泥漿的接觸面和水泥漿與巖土接觸面發(fā)生相對位移或有位移趨勢時，對水泥漿加固環(huán)的剪切進行描述需要以下參數(shù)：水泥漿剪切剛度；水泥漿摩擦角φg；水泥漿粘結強度 cg；水泥漿外圈周長 Pg；有效周邊應力σm。
4.2加固效果分析
邊坡模型及所用參數(shù)采用第三章不考慮地下水孔隙壓力模型；錨桿加固以后的邊坡臨界狀態(tài)剪切應變增量云圖如圖1所示（圖中錨桿由黑色線表達）。對比圖 3-7 可以發(fā)現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)從原來的 1.0 增大到了 1.25，雖然與邊坡錨桿設計時錨桿的設計安全系數(shù) 1.3 相比偏小，但是已經滿足了工程中對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的要求。究其原因，錨桿設計時采用的傳遞系數(shù)法計算邊坡剩余下滑力，由于傳遞系數(shù)法的假定破壞了理論的嚴謹性，導致計算所需錨固力結果偏小。因此，在用傳遞系數(shù)法計算邊坡剩余下滑力
設計錨桿時應選取較大安全系數(shù)，取 1.3 是比較合理的。
同時從兩圖的對比中也可以看出，支護前的邊坡潛在滑動面比較接近坡面，并且通過坡頂及坡腳的薄弱部位，錨桿支護后邊坡最危險滑動面已明顯后移而更加遠離坡面，錨桿支護起到了很好的作用。同時最后應該做好坡面防護，噴混凝土防止地下水的進一步滲入。
5結束語
本文擬定了高速公路邊坡工程治理方案，然后計算邊坡剩余下滑力，進而對邊坡錨桿的鋼筋等級、鋼筋直徑以及錨桿的錨固長度進行計算分析，最后確定邊坡的錨桿布置方案。通過數(shù)值分析軟件的模擬，對比加固前后的邊坡臨界狀態(tài)剪切應變增量云圖，可知錨桿設計對邊坡加固起到了很大的作用，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到了工程中所規(guī)定的界限值。
