高速公路邊坡錨桿加固設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果的產(chǎn)生，而且由于抗滑力的顯著降低甚至消失，此時(shí)再加固，治理費(fèi)用也是巨大的。如果我們?cè)谶吰率Х€(wěn)前根據(jù)邊坡工程地質(zhì)情況，提前對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)合失穩(wěn)前邊坡本身抗滑力情況，主動(dòng)提出加固治理方案，將大大減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
1工程概況
X高速全長(zhǎng)104.836公里，全程設(shè)計(jì)特大橋3座3090米，大橋76座23556米，長(zhǎng)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(shè)計(jì)上部 10 m 高，坡比為 1∶1.25，下部 10 m，坡比為 1∶1，兩級(jí)邊坡中間有一寬2m 平臺(tái)。該路塹邊坡為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，具有強(qiáng)度低、軟化系數(shù)小、干濕循環(huán)后易崩解等特點(diǎn)；同時(shí)，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(shì)布置，內(nèi)截面尺寸為 600mm400mm；坡體上排水溝布置在中間平臺(tái)上，內(nèi)截面 500mm500mm；排水溝的縱向坡率取0.5%，中間高，兩側(cè)低。坡體水流向兩側(cè)分流，材料采用漿砌片石，砂漿等級(jí)M10。
地表及地下水豐富，在加固工程施工時(shí)應(yīng)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(zhì)，水對(duì)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(hù)對(duì)紅砂巖邊坡進(jìn)行加固，噴錨加固可以使破碎風(fēng)化的紅砂巖完整性得到加強(qiáng)，錨桿的錨固力能夠滿(mǎn)足抗滑力和邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求，同時(shí)噴層護(hù)坡可以防止雨水入滲造成對(duì)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(yù)應(yīng)力錨桿加固設(shè)計(jì)
3.1 邊坡剩余下滑力計(jì)算
采用傳遞系數(shù)法對(duì)邊坡剩余下滑力進(jìn)行計(jì)算，傳遞系數(shù)法又稱(chēng)為折線法，這主要是因?yàn)樽畛跆岢鰝鬟f系數(shù)法是針對(duì)折線型滑動(dòng)面邊坡，它是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的邊坡穩(wěn)定分析方法，是驗(yàn)算山區(qū)土層沿著巖面滑動(dòng)最常用的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算法，同時(shí)也用于有不規(guī)則結(jié)構(gòu)面的破碎巖體邊坡的穩(wěn)定性分析。本文強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面為圓弧滑面，取各分條中線與最危險(xiǎn)滑面交點(diǎn)處的圓弧切線代替折線型滑面。
根據(jù)邊坡剩余下滑力計(jì)算公式計(jì)算邊坡剩余下滑力，邊坡抗剪強(qiáng)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(jié)果，c=28.6 kPa，φ=18°。
用傳遞系數(shù)法計(jì)算邊坡剩余下滑力，最后計(jì)算得邊坡剩余下滑力 P滑=556.99KN，即計(jì)算邊坡安全系數(shù) k=1.30 時(shí)，邊坡需要錨固力為 556.99kN/m。
3.2 設(shè)計(jì)錨固力計(jì)算
P滑可分解為對(duì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50010-2002) 》及 T錨、T剪計(jì)算結(jié)果，選用冷拉III級(jí)鋼筋32，鋼筋截面面積 804.2mm2, 抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 fyk=500N/mm2，鋼筋的最大張拉力不應(yīng)超過(guò)鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的 75%，經(jīng)計(jì)算取 300kN，鋼筋材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=420N/mm2，可計(jì)算得到允許的設(shè)計(jì)拉拔力為 338kN。
根據(jù)坡面幾何尺寸，每米長(zhǎng)度邊坡沿坡面布置 4 根錨桿，單根錨桿設(shè)計(jì)承載力
(滿(mǎn)足要求)
鋼筋承受剪力（抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求）
所研究紅砂巖邊坡為強(qiáng)分化泥質(zhì)粉砂巖，按中密碎石土考慮，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD30-2004）》，地層與錨桿注漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度可取為 80kPa。
最后，取定錨桿錨固長(zhǎng)度 L=9m（>8.68m）。根據(jù)邊坡幾何參數(shù)等情況，設(shè)計(jì)選定錨桿水平間距為 2.0 米，沿坡面豎向?qū)泳酁?nbsp;2.5 米，則平均 2 米長(zhǎng)度的邊坡沿坡面布置錨桿共 8 根。（按計(jì)算，單位長(zhǎng)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(gòu)件單元模擬錨桿，錨索結(jié)構(gòu)是彈塑性材料，在邊坡中承受拉壓以及剪力。當(dāng)錨桿與巖土體發(fā)生相對(duì)位移或者有相對(duì)位移趨勢(shì)時(shí)，其界面上產(chǎn)生相應(yīng)的抵抗力。錨索構(gòu)件在模型中是通過(guò)局部坐標(biāo)定義的，錨索單元有兩個(gè)自由度，相對(duì)于軸向位移有其相應(yīng)軸向力。
用一維本構(gòu)模型來(lái)模擬錨桿的軸向特性，在實(shí)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(gòu)件的長(zhǎng)度 L 之間的關(guān)系可以用下面表達(dá)式來(lái)表達(dá)：
（8）
錨桿結(jié)構(gòu)與巖土體的接觸面具有粘結(jié)性和摩擦力，理想的情況下，在節(jié)點(diǎn)軸向上可以采用彈簧滑塊來(lái)描述系統(tǒng)。當(dāng)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(duì)位移或有位移趨勢(shì)時(shí)，對(duì)水泥漿加固環(huán)的剪切進(jìn)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(jié)強(qiáng)度 cg；水泥漿外圈周長(zhǎng) Pg；有效周邊應(yīng)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(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖1所示（圖中錨桿由黑色線表達(dá)）。對(duì)比圖 3-7 可以發(fā)現(xiàn)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)從原來(lái)的 1.0 增大到了 1.25，雖然與邊坡錨桿設(shè)計(jì)時(shí)錨桿的設(shè)計(jì)安全系數(shù) 1.3 相比偏小，但是已經(jīng)滿(mǎn)足了工程中對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的要求。究其原因，錨桿設(shè)計(jì)時(shí)采用的傳遞系數(shù)法計(jì)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(yán)謹(jǐn)性，導(dǎo)致計(jì)算所需錨固力結(jié)果偏小。因此，在用傳遞系數(shù)法計(jì)算邊坡剩余下滑力
設(shè)計(jì)錨桿時(shí)應(yīng)選取較大安全系數(shù)，取 1.3 是比較合理的。
同時(shí)從兩圖的對(duì)比中也可以看出，支護(hù)前的邊坡潛在滑動(dòng)面比較接近坡面，并且通過(guò)坡頂及坡腳的薄弱部位，錨桿支護(hù)后邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面已明顯后移而更加遠(yuǎn)離坡面，錨桿支護(hù)起到了很好的作用。同時(shí)最后應(yīng)該做好坡面防護(hù)，噴混凝土防止地下水的進(jìn)一步滲入。
5結(jié)束語(yǔ)
本文擬定了高速公路邊坡工程治理方案，然后計(jì)算邊坡剩余下滑力，進(jìn)而對(duì)邊坡錨桿的鋼筋等級(jí)、鋼筋直徑以及錨桿的錨固長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算分析，最后確定邊坡的錨桿布置方案。通過(guò)數(shù)值分析軟件的模擬，對(duì)比加固前后的邊坡臨界狀態(tài)剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D，可知錨桿設(shè)計(jì)對(duì)邊坡加固起到了很大的作用，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到了工程中所規(guī)定的界限值。
