桩锚加固对库岸边坡影响的数值研究

丁 欣

(济宁市水利工程施工公司，山东 济宁，272100)

引言

库岸公路边坡由于库水位的上升和下降会导致公路路面开裂和库岸边坡失稳等问题。针对库岸边坡问题已有学者做了大量研究，刘博等[1]就非饱和土的独有性质使用了有限元分析的方法进行了边坡稳定性分析；谢新宇等[2]利用有限元软件基于浙江某高速公路路段的水库水位变化对边坡挡土墙的稳定性进行了研究分析；陈东辉[3]采用数值分析方法在渗流场和应力场等方面对边坡稳定性进行了研究分析；常中华等[4]以三峡某边坡为实例就不同的边坡类型进行了结构特征分析并提出了相应的防治措施；在此基础上，张艳娇[5]基于三峡某工程实例详细阐述了边坡稳定性的防护措施；刘行架等[6]研究分析了植被护坡在某边坡工程中的应用；朱蓓[7]就公路边坡的加固技术进行了探讨，研究分析了锚加固、桩加固、挡土墙加固等不同加固方案的优劣并结合边坡加固技术为不同地质路段提供了相应的技术指导；王婧[8]采用数值模拟的方法研究分析了桩加固措施对边坡稳定性的影响并做了相关的参数分析。

综上所述，有必要对库岸边坡稳定性问题进行研究。本文采用数值模拟的分析方法，研究分析了未加固、桩加固和锚加固三种不同工况在水库水位的上升和下降过程中，库岸坡体在渗流场、位移场以及应力场的变化规律和特征。

1 工程概况

本研究选取云南省某区段二级公路为研究对象，公路里程范围为K0+000～K32+500，由于该段公路路基位于当地某水库库区范围内从而形成了库岸路基。该段公路自通车以来，由于水库水位变化影响，随着水位的升降使得该段公路路基出现开裂、坍塌、失稳等病害，严重影响行车安全，该公路库岸边坡现状如图1所示。本文针对路基边坡出现的土体变形和路面开裂等问题，采用数值模拟分析方法对其边坡病害进行分析及加固处理。表1为该公路路段各种病害情况以及相应的防治措施。

表1 公路路段病害防治措施

2 模型介绍

2.1 模型建立

根据该公路的具体地质情况，选择了具有代表性的库岸边坡进行建模分析。边坡模型如图2所示，该公路路面高度为100m，宽度为7.5m，公路下部库岸边坡主要由不同级配的厚碎石土覆盖层和基岩组成，其高度为50m，坡度为40°，公路上部库岸边坡高度为35m，坡度为40°。将该公路路段加固位置设置在公路下方库岸边坡水位变化区域以确保更好地处理水位变化引起的边坡稳定性影响。采用边坡常用的锚加固和桩加固两种加固方式进行加固。在进行有限元分析时，锚加固和桩加固中的锚杆单元与桩单元均采用结构梁单元来模拟。本研究选取公路库岸边坡高程分别为85m、95m、104m三个特征点来研究边坡加固前后土体特性，其观测点对应坐标如表2所示。当高程为85m时，模拟库水的死水位；当高程为104m时，模拟库水的正常水位。在模拟计算过程中仅考虑坡体自重和水库的水位变化，不考虑降雨和地下水位的影响。

图2 边坡模型

表2 各特征点点号及坐标

2.2 模型参数选取

结合该工程的实际地质概况和勘测资料给出了碎石土层和边坡基岩的相关材料参数。此外，还给出了有限元分析中锚固区和桩加固区域的材料参数，详细模型参数取值如表3所示。

表3 边坡材料参数取值

3 结果分析

3.1 渗流分析

通过数值模拟计算得到了未加固和加固后两种不同工况下边坡的渗流变化情况。图3为61d时未加固、锚加固、桩加固不同工况下的渗流变化云图，表4为不同时刻浸润线位置坐标情况表。由图3和表4可知，当未加固且水位在正常水位以下时，渗流矢量的方向是由水库侧指向山体侧的，由于水头差的形成导致了渗流的发生。随着水流的渗入，浸润线位置不断上升，从而导致与库水位上升之间发生滞后效应，距离坡面越远，滞后效应越明显。当水位上升到正常水位后，渗流场持续变化直至与正常水位持平。如图3(b)所示，在进行锚加固后，渗流方向发生了改变，这是由于在水位上升到锚加固的区域后边坡的土体渗透系数减小了，因此阻碍了边坡内部渗流的形成，使得当水位下降至死水位后，在注浆区和未注浆区均会出现浸润线，这是锚固区内水流速度较慢造成的。在250d时刻锚加固部分区域浸润线位置比未加固时低；在300d时刻两者浸润线位置接近。在进行桩加固后，与锚加固类似，桩体的渗透系数较小使得渗流速度减慢。两者对比不难发现进行锚加固后边坡的渗流速度更慢，因此锚加固要比桩加固有更好的阻渗效果。

(a)未加固 (b)锚加固 (c)桩加固

表4 不同时刻浸润线位置坐标

3.2 位移分析

选取高程85m、95m各特征点的X和Y方向位移曲线来研究分析在库水位变化过程中未加固、锚加固、桩加固情况下库岸边坡位移的变化特征。

3.2.1 高程85m处各特征点的X方向位移

图4为由水位变化过程中未加固、锚加固、桩加固情况下85m处各特征点的水平位移数值图。如图4(a)所示，当未加固时，180d时刻前，随着库水位上升，岸坡坡体位移值随着库水位的上升而增大，最大位移可达到0.075m，随后各点X方向位移又朝水库方向减小，当水库水位与死水位持平时，坡体位移变化幅度不大。图4(b)为桩加固后坡体X方向位移变化曲线图，由图可知，岸坡各点X方向位移值随库水位上升而增大，随着水位的下降而减小，当水库水位稳定时，坡体位移也相对稳定。与未加固相比可知桩加固使各点指向坡体内侧的变形增大，指向水库的侧向变形减小且不会产生向水库方向的水平位移。由图可知，锚加固后坡体各点X方向位移在正常水位是保持不变的，随着水位的上升而增加，随着水位的下降而减小且不会产生负向位移。与未加固时相比可知锚加固使各点水位变化过程中指向坡体内侧的变形增大且随库水位变化相对平缓。由图4(c)和(d)对比可知施加600kN预应力和施加300kN预应力后的坡体水平位移变化趋势基本一致，前者在数值上略大一些，因此可以说明施加预应力越大不一定控制水平越好。对比锚加固和桩加固后的坡体位移变化图不难发现，随水库水位的不断变化，锚加固比桩加固产生的坡体X方向位移要小，即锚加固效果更好，使得路面和边坡位移变化更均匀。

时间/d

3.2.2 高程95m处各特征点的Y方向位移

图5为水位变化过程中未加固、锚加固、桩加固情况下95m处各特征点的竖向位移数值图。如图5(a)所示，未加固时，当水库水位上升时，随着库水位上升岸坡坡体发生的隆起变形值不断增大，当水库水位下降时，坡体还会产生一定的沉降变形，即隆起变形不断减小，沉降变形不断增大；当水库水位与死水位持平时，坡体的沉降变形开始缓慢增加，最终趋于稳定。在180d后，各点隆起值不断恢复，部分观察点还会产生负向位移，即沉降值。由图5(b)可知，岸坡各点Y方向位移值随库水位上升而发生隆起变形，随着水位的下降而发生沉降变形，当水库水位稳定时，坡体位移也相对稳定。与未加固相比可知桩加固使各点隆起和沉降的位移变形值均减小。锚加固后坡体各点X方向位移在正常水位是保持不变的，随着水位的上升坡体Y方向产生隆起位移，随着水位的下降坡体Y方向产生沉降位移，当水库水位达到死水位后坡体位移不再发生改变。由图5(c)和(d)对比可知施加600kN预应力比施加300kN预应力后的坡体产生的Y方向位移大，即施加300kN预应力进行锚加固效果较好。对比锚加固和桩加固的效果可得到X方向相同的结论。

时间/d

3.3 应力分析

计算分析未加固、锚加固、桩加固不同工况下的库岸边坡应力变化特征，选取高程104m作为研究对象分析水位变化对加固前后坡体最大主应力和最小主应力的影响。

3.3.1 最大主应力

选取高程104m时的各特征点作为观测点对比分析加固前后最大主应力变化曲线变化特征。如图6(b)所示，桩加固后，各特征点坡体的最大主应力总体变化不明显，对比未加固的情况，桩加固后坡体最大主应力的最大值减小。锚加固后各特征点的最大主应力均较未加固时减小，且施加300kN预应力的情况下最大主应力减小更明显。

时间/d

3.3.2 最小主应力

选取高程104m时的各特征点作为观测点对比分析加固前后坡体最小主应力变化曲线变化特征。如图7(b)所示，桩加固后，各特征点坡体的最小主应力随水库水位的改变较未加固时变化幅度不大，桩加固后最小主应力受水位变化的影响较未加固情况受水位变化的影响小，变化幅度不大，总体变化不明显。由图可知，锚加固后也可得到相似的结论，因此两种不同加固形式对比未加固的情况可发现，加固后坡体的最小主应力受水位变化影响较小。

时间/d

4 结论

本文采用数值研究方法研究分析了某公路路段水库水位变化对未加固、桩加固和锚加固不同工况下的渗流场位移场以及应力场的变化规律，得到了以下结论：

(1)坡体浸润线的位置会随着水库水位的变化速度、土体渗透系数和距离坡面的位置的不同而产生不同程度的滞后现象，当加固区域内渗透系数相对较小时滞后现象会更加明显。对比桩加固和锚加固两种不同加固方式可发现锚加固的阻渗效果更好。

(2)坡体加固后，在水库水位的变化过程中坡体的X方向和Y方向位移均有所减小使得路面难以发生开裂情况。其中施加300kN预应力锚加固工况下的坡体位移最小；施加600kN预应力锚加固的情况次之；桩加固的效果最差。

(3)桩加固后，坡体最大主应力的最大值减小；锚加固后各特征点的最大主应力均较未加固时减小，且施加300kN预应力的情况下最大主应力减小更明显。在进行锚加固和桩加固后，各特征点坡体的最小主应力随水库水位的改变较未加固时变化幅度不大，总体变化不明显。