土质路堑边坡稳定性与锚杆支护计算分析

2014-05-28汪元锋

湖南交通科技 2014年4期

汪元锋

(湖南交通国际经济工程合作公司，湖南长沙 410011)

0 引言

在公路修建过程中，难免会遇到开挖路堑的状况，坚固的岩质边坡其稳定性较好，在设计与施工中可以采用较陡的坡度，从而减少开挖施工所产生的土方量，也可以较少采用支护手段，节约工程成本［1－3］。但当道路建设中需要采用较高土质边坡时，边坡稳定性则是工程人员需要考虑的重要问题。

针对土质路堑边坡稳定性与支护问题，已有大量学者与工程人员进行了研究。贾东远［4］等对岩质边坡稳定性发展现状进行了系统的论述，但其理论与分析方法不宜用于土质边坡的稳定性分析;陈波［5］等针对在冻融循环作用下的土质边坡稳定性与融雪深度进行了研究，但针对南方较少出现冻融循环现象的土质边坡并不适用;廖小平［6］根据边坡的不同类别与不同的边坡滑移方式分析了类土质边坡的稳定性与破坏形式，并阐述了其理论基础，但并没有针对某一算例进行定量分析，对实际施工具有较少的借鉴意义。

针对以上不足，本文基于Morgenstern-Price 边坡稳定性分析方法，采用Geostudio 岩土工程分析软件对某土质路堑边坡稳定性进行了定量分析，对实际施工具有一定的参考价值。

1 建立土质路堑边坡模型

对某高速路段土质路堑建立计算模型，路堑采用2 级边坡，每一级边坡高度均为10 m，坡率均为1∶1，路堑剖面图如图1所示，其下部为基岩采用基岩模型，即强度为无限大，边坡滑动面无法穿过基岩，残积土与坡积土均采用Mohr-Coulomb 模型，其各项物理参数见表1。

图1 某土质路堑边坡计算模型

表1 边坡土体各项物理参数

在本文计算中不考虑孔隙水的影响，滑动体从左到右共划分为30 个土条，编为1～30 号。计算迭代次数最大为2 000 次，迭代误差小于0.01%则认为达到收敛，滑动面与土条形状由系统自动选取。

2 原始边坡稳定性分析

本文采用Morgenstern-Price 法对算例进行稳定性分析。由于简化Bishop 法并没有考虑土条与土条之间的竖向摩擦力，故采用简化Bishop 法计算时安全系数偏大，边坡安全储备较小，不利于工程安全。而Morgenstern-Price 法在简化Bishop 法的基础上考虑了土条之间的竖向作用力，计算结果更为准确。

原始土质路堑边坡潜在滑动面如图2所示，边坡安全系数为1.20，根据规范［7］可知此边坡稳定性较差，需要进行支护。

图2 原始路堑边坡潜在滑动体示意图

各土条底面抗剪力分布如图3所示，由此图可见，滑动体左上侧土条的抗剪力明显较小，这是由于上部土条较短，土条自身重力较小，其土体并没有发挥较大的抗剪作用，而中部土条较长，土条自身重力较大，在内摩擦角相同的情况下，土体抗剪能力明显提高。由图4中可看出典型土条受力状态。

图3 原始路堑边坡土条抗剪强度分布图

图4 原始路堑典型土条受力图(单位:kPa)

3 锚杆加固后边坡稳定性分析

在土质边坡稳定性不足时可采用锚杆支护的方法提高其安全系数。设置锚杆位置如图5所示，锚杆沿道路方向间距设置为1 m，锚杆总长8.5 m，锚固段为1 m，锚杆直径为0.15 m，锚固角度与水平线呈45°，锚固段与土的摩擦力为106 kPa，锚杆可抵抗拉应力为200 kPa，抗剪应力为100 kPa，锚固安全系数与抗剪安全系数均为1.1。设置锚杆后边坡潜在滑动面如图5所示，边坡安全系数为1.42。对比未设置锚杆的边坡，可见设置锚杆后边坡潜在破裂面明显后移，滑动体体积明显增大，而调动滑动体所需要的力也进一步增大，从而提高边坡稳定性。

图5 锚固后边坡潜在滑动体示意图

根据图6所示可知，在设置锚杆后，5～10 号土条底部抗剪能力明显提高，这是由于在设置锚杆后，潜在滑动体体积增大，土条高度增加，对滑动面的压力也同时增加，由于在Mohr-Coulomb 理论中抗剪强度与正应力成正比，所以增加正应力可以更好地发挥土体的抗剪能力，从而提高边坡的稳定性。设置锚杆后典型条块受力状态如图7所示，可见土条底面的正应力由原有的161.04 kPa 提高为289.75 kPa，抗剪能力由原有的82.48 kPa 提高至125.81 kPa。