道路边坡稳定性分析及治理设计

彭亚捷

(中国石油大学胜利学院,山东 东营 257001)

0 研究背景

边坡是一种自然地质体,在边坡角变化、地下水、地震力、水位变化等外因作用下,边坡将沿其裂隙等一些不稳定结构面产生滑移,当岩土体内部某一面上的滑动力超过岩土体抗滑动的能力,将导致边坡的失稳。

边坡稳定性分析已经形成一个应用研究课题,涉及建筑工程、道路工程、矿山工程、水利水电工程等诸多工程领域。近年来受到越来越多的关注,研究方法[1]层出不穷,其中主要以刚体极限平衡分析法和数值分析方法为主,而这些方法在设计参数的选取上都是按定值进行考虑的。然而,由于边坡受多种因素综合影响[2],其稳定性常表现出复杂多样性、不确定等特征。随着数学方法的发展和计算机技术的进步,人工智能、神经网络软件的应用[3]等迅速发展,边坡稳定性分析方法不断发展和完善。

1 工程概况

M路基边坡岩体为全风化片麻岩,且层理间云母含量高,岩层倾向路基,倾角现场实测最大达35°；岩体破碎,外观像纸张累叠,边坡极不稳定。边坡相对高差近100m,坡体跨度大于300m。

该地区由下而上发育的地层主要特征分述如下：

(1)上太古代阜平群片麻岩：基岩,厚度不清,大于100m,黏聚力7.4kPa,内摩擦角为23°。

(2)上太古代云母：片麻岩夹层,厚度约25m。

(3)第四系：按成因可分为冲、洪、坡、残积等。依岩性有红土卵石。黄土状亚粘土、亚砂土、砂砾石等,厚度10～20m。

2 边坡稳定性分析

2.1 滑坡推力计算法

根据边坡坡面起伏情况,划分为折线形的块段,如图1。每一块段顶部坡面为平直的斜面,并确定各段的计算参数。利用滑坡推力计算法来计算边坡的稳定性。计算时假定边坡作整体滑动,各段之间不考虑挤压和拉裂,可忽略块段两侧力的作用。岩体宽度选为1m,计算模型如图2。边坡在自然状态下潜滑面1的块段状态见表1,各块段的剩余下滑力见表2；潜滑面2的块段状态见表3,各块段的剩余下滑力见表4。

图1 边坡块段划分图

图2 滑坡推力法计算模型

条块编号重度γ(kN/m3)面积A(m2)荷载(kN/m)块段弧长Li(m)滑动倾角αi(°)黏聚力C(kPa)内摩擦角φ(°)12342152.51102.517.1766.916104.962.91544.632436.679.0204.24288.210.7237.422

注：①面积A根据AutoCAD中的area命令进行估算

②块段弧长Li根据AutoCAD中di命令进行估算

③表内所有取值精确至小数点后一位

表2 自然状态潜滑面1下的剩余下滑力

表3 自然状态潜滑面2的块段状态

表4 自然状态潜滑面2下的剩余下滑力

2.2 水平投影法

为更直观地分析稳定性,采用水平投影法来求稳定性系数K。根据上文计算出的下滑力和抗滑力,将所得值投影到水平面上,求取K值。在自然状态下潜滑面1的稳定性系数为1.01,潜滑面2的稳定性系数为0.996。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013),K<1.0不稳定,1.01.15稳定。此边坡在自然状态下,潜滑面1处于欠稳定状态,潜滑面2处于不稳定状态。故在开挖前要先进行工程治理。

3 边坡治理设计

3.1 边坡剩余下滑力设计值预估

治理设计中安全系数取1.15,则潜滑面1的滑坡推力为：

R1=1.15×(430.8+4292.7+12673.8+1675.5)-(536.6+6455.0+12648.0+1674)=620.12(kN/m)

潜滑面2的滑坡推力为：

R2=1.15×(2272.9+10408.5+17839.3+8375.2)-(2453.5+10372.5+17564.5+8352.8)=5987(kN/m)

3.2 滑坡支挡结构的设计

滑坡推力预估值大于5000kN/m,坡脚又有居民居住,故需在坡脚重点加固——设置预应力锚索抗滑桩。初步估算只依靠预应力锚索抗滑桩,滑坡推力过大产生的弯矩和剪力过大,配筋要求不合理,不满足经济和安全兼备的效果。故在上部边坡中增设预应力锚索,承担部分下滑力。并在施工过程中,需注意施工顺序。先设置抗滑桩,再从坡顶逐步削坡、打预应力锚索,最后再开挖,在抗滑桩预留孔径中打入预应力锚杆[4]。

预应力锚杆的设计参数结合相关规范和实际情况如下：锚杆采用Ф15.2,抗拉强度为1860MPa的高强度低松弛钢绞线制作,为拉力型锚杆。锚杆抗拔力设计值为3000kN。锚固段长度La=25m,自由段长度Lf=25m,总设计长度50m；钻孔孔径160mm,杆体直径120mm。

抗滑桩的设计参数为：桩身断面：2.0m×3.0m(矩形),计算宽度：3.0m,桩长：20m,桩体埋深：12m,桩间距：6m,比例系数：mv=10000kN/m3,地基系数：A=1200000kN/m3,桩身混凝土强度：C25,滑坡推力分布：按三角形分布。

根据桩身和桩周岩土体相对刚度的不同,计算桩身内力时将桩在滑面位置分为上下两部分分别计算。滑面以上按照在锚索力和滑坡推力共同作用下的悬臂桩计算,计算模型如图3,滑面以下按刚性桩计算,计算模型如图4。

图3 滑面以上的计算模型

图4 滑面以下的计算模型

地层基岩为全风化的片麻岩,故选用适用于严重风化破碎岩层的“m”法(地基系数随深度按直线比例变化)。用m法按“刚性桩”或“弹性桩”分析计算锚索抗滑桩的内力。桩身剪力图如图5,桩身弯矩图如图6。

图5 桩身剪力图

图6 桩身弯矩图

为满足桩的稳定性,桩侧应力不大于地基的侧向抗力,具体的变化值见表5。

表5 桩侧应力及地基的侧向抗力

选取其中的最危险截面(剪力最大或弯矩最大处),桩受弯时强度设计安全系数取1.2,斜截面受剪时安全系数取1.3,求得抗滑桩配置3228的钢筋,双肢20@150的箍筋。

4 结论

施工前对边坡进行稳定性分析,做出准确的治理设计,可将滑坡带来的危险性降至最低,得到更高的生产效益。本文首先利用剩余推力法和水平投影法选取两个在自然状态下的边坡潜滑面进行稳定性分析,又在此基础上做出预应力锚索与预应力锚索抗滑桩共同作用的治理设计。计算设计值为3000kN的预应力拉力型锚杆的参数,并针对抗滑桩最危险截面的最大弯矩与最大剪力配置钢筋和箍筋。得出如下结论：

(1)潜滑面1的稳定系数K=1.01,滑坡体处于欠稳定状态；潜滑面2的稳定系数K=0.996,滑坡体处于不稳定状态。

(2)预应力锚杆参数：锚固段长度La=25m,自由段长度Lf=25m,总设计长度50m；钻孔孔径160mm,杆体直径120mm。抗滑桩的危险截面最大弯矩为16313.8kN.m,最大剪力为6441.9kN。配置3228的钢筋,双肢20@150的箍筋。