山岭公路岩质边坡稳定加固技术方案的优选

2013-04-13郑荣政吴自由郭世周

铁道勘察 2013年5期

关键词：坡体主应力分析方法

郑荣政　吴自由　郭世周

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251； 2.河北工业大学，天津　300401)

1　岩质边坡稳定性分析方法、破坏形式及加固技术

进行岩质边坡稳定性分析与评价的理论、方法有很多，总体来说，包括确定性分析方法和不确定性分析方法两大类。

1.1　确定性分析方法

(1)极限平衡分析法：计算公式、模型简单；边坡剖面可较为复杂，加载形式可以任意。

(2)数值分析方法：以数学分析、代数、微分方程等数学理论为基础，适合于计算机上使用。目前常用的方法有:有限元法、有限元强度折减法、FLAC法、流形元法、边界元法、离散元法、界面应力元法等。

1.2　不确定性分析方法

不确定性分析方法主要有灰色系统评价法、可靠度分析方法和模糊综合评价法。

1.3　边坡破坏形式

边坡的破坏形式主要有楔体形破坏、平面形破坏、倾倒形破坏、圆弧形破坏。

1.4　边坡加固技术

目前主要有挡墙、锚喷防护技术、压力注浆加固技术、削坡减载及压脚技术、松动爆破滑动面等。

2　工程概况及模型建立

2.1　工程概况

承赤高速公路是国家高速公路网大(庆)广(州)高速公路(G45)的重要组成部分，是河北省高速公路网“五纵、六横、七条线”中“纵一”的重要路段，线路全长212 km，预计总投资195.6亿元。

2.2　建立模型

主要运用ANSYS和FLAC 3D两种工程分析软件相结合，以承赤高速承德段中的五标-八标段边坡为依据建立模型；由于主要是研究层状岩质边坡的稳定性，所以FLAC 3D所采用的本构模型为多节理模型。

具体建模过程如下：

①首先运用CAD对实际边坡模型进行适当简化。

②通过CAD—ANSYS软件获取边坡模型的坐标；由点生线、线生面、面生体的方法，建立模型；对模型进行材料属性分配和网格划分。模型网格划分如图1。

③应用郑海棠“应用汇编语言”开发的ANSYS to FLAC 3D软件实现数据转换；通过导入数据文件自动生成FLAC 3D 模型。最终建立的边坡模型如图2。

图1　模型网格划分

图2　层理面边坡模型

3　实例模拟分析

3.1　地质模型建立及初始计算

根据现场地质调查的结果，该边坡为两层的顺层岩质边坡，岩体中存在一个较大的软弱面。由于工程建设要求，此路段无法绕行修建，所以要对边坡进行开挖。依此建立的地质模型如图3所示，其中序号代表不同的岩体：①—砂质及泥质粉砂岩互层，②—泥质及粉砂质泥岩互层。

具体岩体参数及滑面参数如表1、表2所示。

表2　滑面参数

根据地质模型确定边坡计算模型；模型水平距离145 m、竖直高度89 m、纵向宽6 m，为三维模型。经过计算，坡体自然条件下的竖向应力如图4所示。从图4中可以看出，坡体在自然条件下只考虑重力作用，应力分布较均匀，分布情况大致与坡体表面相同，但在软弱面发生突变。由于岩体②有沿软弱面下滑的趋势，所以在坡顶出现一小部分拉应力区。由左侧数值可知，随深度的增加应力逐渐增大，同实际一致。在自然条件下，坡体已经达到自身的平衡，变形已经完成。所以，此时得到的位移值是边坡从最初到平衡的总位移。

图4　坡体自然条件下竖向应力

3.2　开挖方案一

该方案是对边坡进行一次开挖，设计坡率为1∶0.32，高度为30 m。开挖后，系统达到新的平衡后对开挖结果进行分析。方案一开挖范围如图5所示。

图5　方案一开挖范围

(1)不加支护

经计算，各种数据结果图如图6～图9所示。

图6　位移

图7　岩体①位移

图8　最大主应力

图9　塑性区

从图6可知，边坡开挖后主要是岩体②沿软弱面发生了较大的位移，最大值为0.358 m，而下伏岩体①基本没有变化，表明此边坡主要是受软弱面的控制。从图7看出，岩体①主要是在坡角左侧发生了位移，且主要是竖向拱起(0.020 m)。

从图8可知，受软弱面影响，应力在坡体中发生了突变，岩体内出现了较多的拉应力区，不利于边坡稳定。由于岩体②-1的开挖，岩体①左侧内部应力达到释放，所以在岩体①施工便道出现了拉应力区。从图9可以看出，在岩体②顶部出现了较多的拉伸塑性区，在坡角处出现了剪切破坏区。

综上所述，此次开挖后由于临空面高度较大，所以岩体②沿软弱面发生了整体滑移，最大位移值达0.358 m，边坡处于不稳定状态，需对边坡进行加固处理。

(2)进行支护加固

随着低松弛、高强度钢绞线材料成本降低，预应力锚索技术得到广泛应用。综合各种边坡加固技术的优缺点，本工程采用预应力锚索进行边坡支护加固。

选用由七股φ15的钢绞线制作，抗拉强度大于等于1860 MPa。由以上预应力锚索计算公式得出每孔锚索的根数为8根，设计张拉吨位为800 kN。其他参数如表3所示。

计算后得到各种数据如图10～图13所示。

表3　锚索模型参数

图10　支护后位移

图11　支护后最大主应力

图12　支护后塑性区

图13　预应力锚索受力

对比图6与图10可知，施加预应力锚索后，坡体的位移由原来的0.358 m降为0.124 m，减少了63%；从图8、图9和图11、图12对比看出，岩体内的拉应力区和塑性区均有所减少，最大拉应力值减少了7.17 MPa。从图13得出，预应力锚索受到了很大轴向拉力，最大轴力达到了1.10 MN，未达到锚索的抗拉极限值。

综上所述，施加预应力锚索支护后，坡体的位移、应力、塑性区都有所降低，且锚索承受了较大的拉力，发挥了支护作用。但由于临空面高度较高，坡体下滑力较大，所以支护后边坡位移仍很大，为0.124 m。

3.3　开挖方案二

针对方案一中一次性开挖，边坡临空面过高，支护效果不理想；方案二采用降低开挖高度方式，设置两级边坡，每级边坡高度为13 m，中间设置宽度为2.5 m的平台，设计坡率为1∶0.32，方案二开挖范围如图14所示。

图14　方案二开挖范围

(1)不加支护

第一次开挖，开挖施工现场第二级边坡，如图14中的②-1，经开挖达到系统新的平衡后，得到各种数据结果如图15～图18所示。

图15　第一次开挖后位移

图16　第一次开挖后岩体①位移

图17　第一次开挖后最大主应力

图18　第一次开挖后塑性区

从图15、图16位移图中可以看出，第一次开挖后，主要是在岩体②发生了局部位移，且最大位移出现在岩体②的最右侧，这主要是受到上部岩体的下滑推力，临空面最大位移为0.032 m。从图17和图18可知，在岩体②内及岩体①的滑面处出现了拉应力区，在开挖面坡脚处出现了应力集中；由于岩体②性质较弱，所以在岩体②内出现了拉伸塑性区，在开挖面出现了剪切塑性区。

第二次开挖，即在施工现场开挖第一级边坡，如图14中的岩体②-2，经开挖达到系统新的平衡后，得到各种数据结果如图19～图21所示。

图19　第二次开挖后位移

图20　第二次开挖后最大主应力

从图19～图21中可以看出，第二次开挖后仍是岩体②发生较大的局部位移，且最大位移也是在岩体②右下部，坡体最大位移达0.171 m。由主应力图可知，由于开挖后应力释放，施工便道拉应力值有所增加。由塑性区图可看出，在一级坡面出现了剪切塑性区。

通过对开挖结果的分析，第一次开挖后岩体②发生了较大的局部位移，为了保证后续开挖的顺利进行，保证边坡的稳定，第一次开挖后需要对边坡进行加固处理。

(2)加固支护后

选用同方案一相同的预应力锚索与对应参数加固。

第一次开挖支护，即在第一次开挖后及时施加预应力锚索加固。得到支护后的数据结果如图22～图24所示。

图22　第一次开挖支护后位移

图23　第一次开挖支护后最大主应力

图24　第一次开挖支护后塑性区

对比图19～图21与图22～图24可知，第一次开挖施加预应力锚索后，边坡的位移、拉应力区以及塑性区均降低了很多，岩体②最大位移降低了70%，由于岩体②下滑力减少所以坡脚处应力降低，能够保证第二次开挖施工的顺利进行。

第二次开挖支护，计算得到数据结果如图25～图28所示。

图25　第二次开挖支护后位移

图26　第二次开挖支护后最大主应力

图27　第二次开挖支护后塑性区

图28　预应力锚索受力

对比图19与图25可知，施加预应力锚索后边坡的位移从原来的0.171 m减少为0.032 m，降低了80%。从图26和图27可以看出，由于锚索的加固作用，岩体②内的拉应力区有所减少，利于边坡稳定，塑性区也在岩体②的顶部和开挖面出现。由锚索受力图可知，锚索受到的最大轴力为1.0 MN，未达到锚索的抗拉极限。