顺层边坡锚杆(索)框架梁加固的数值分析

2022-10-22钱海洋

西部交通科技 2022年7期

钱海洋

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530200)

0 引言

顺层边坡在道路岩体工程建设中较为常见，极易发生边坡变形破坏。由于对顺层边坡的破坏机理缺乏深入认识，因稳定性预防措施不足或不当而造成的滑坡事故屡见不鲜。1963年，意大利瓦依昂水库接近坝库的部位因勘察设计不力产生了巨型顺层滑坡灾害，造成了包括2 700多人伤亡的重大损失。1996年，贵阳市沙冲路滑坡也属于典型的大型顺层滑坡，由于对顺层坡体稳定性预估不足导致滑坡失稳破坏，造成了54人伤亡的惨痛事件。目前，人们对顺层边坡的稳定性及处治方法仍缺乏较为系统的认识和评价。因此，研究顺层边坡的稳定性及处治方法，对工程建设以及人民生命财产安全都具有重大的意义[1-5]。

1 工程地质概况

河池至百色高速公路№11标K157+998～K158+105段左侧路堑边坡位于百色市田阳县和右江区境内，地处云贵高原边缘山区，构造是控制区内地貌发育的主要因素，区内常背斜成山，向斜成谷。场址区为构造侵蚀及剥蚀低山浅切割碎屑岩地貌，边坡处地形坡度较陡，山坡自然坡度约为20°～35°。根据区域工程地质调绘、钻探及工程物探等手段揭示的岩性特征，该高边坡路段地层在揭示深度范围内由第四系残坡积(Qel+dl)和三叠系百逢组(T2b)地层构成，地层岩性自上而下依次为：

4-124黏土(Qel+dl)：硬塑状，稍湿，土质成分不均，切面光亮，底部含约为30%的强风化砂岩质砾石，颗粒粒径为2～30 mm不等，多呈次棱角状，用手难折断，层厚为0.80～2.30 m。

6-421全风化砂岩(T2b)：灰黄、紫红色，矿物成分基本风化成土状，原岩结构基本破坏，岩芯多呈硬土状，浸水易软，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

6-422强风化砂岩(T2b)：夹薄层泥、页岩，泥、砂质结构，中厚层夹薄层状构造，砂岩多为粉砂岩、泥质粉砂岩，原岩结构及矿物成分大部分风化蚀变，风化裂隙密集，结构面间铁锰质氧化物充填，岩体破碎，岩芯多呈碎块、团块，为软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

6-423中风化砂岩(T2b)：夹薄层泥、页岩，泥、砂质结构，中厚层夹薄层状构造，砂岩多为粉砂岩、泥质粉砂岩，主要矿物成分为长石。节理发育，约3～5条/m，结构面间可见铁锰风化物薄膜，结合程度一般，岩体较破碎～较完整，岩芯多呈中、长柱状，RQD约为40%，为较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ级。

2 加固前边坡稳定性分析

2.1 FLAC 3D特点

快速拉格郎日差分法是一种基于有限差分原理的数值计算方法。而FLAC 3D软件可对岩土、支护结构等建立三维模型，非常适合进行较为复杂的非线性岩土工程数值分析[6-8]。

2.2 参数取值

各岩场主要岩土体参数根据现场原位测试和室内土工试验确定，并参照《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)，该路堑边坡岩土体物理力学指标如表1所示。

表1 岩土体物理力学指标表

2.3 模型的建立

选取河百高速公路№11合同段K158+000～K158+036边坡开挖段作为典型分析目标段。根据需要对实际地质模型进行简化，整个模型x方向为180 m，y方向为36 m，z方向为125 m，其中x为边坡滑动方向，y为线路走向，z为竖直方向。模型底面固定，背面及左右两侧法向约束，坡体表面为自由面。原始边坡剖面如图1所示。

图1 原始边坡地质剖面图(m)

在数值计算过程中，本构模型采用摩尔-库仑塑性屈服模型，共划分单元35 856个、节点41 040个，得到如图2所示的ANSYS网格划分模型，然后通过编制的接口程序，最终得到如图3所示的FLAC 3D网格划分及分组模型。

图2 ANSYS网格划分模型图

图3 FLAC 3D网格划分及分组模型云图

2.4 稳定性分析

2.4.1 塑性区分析

如图4所示为边坡加固前塑性区分布云图。由图4可知，加锚前剪切塑性区几乎遍布整个边坡模型，拉伸塑性区主要分布在第六级和第七级、第八级和第九级边坡交接范围内，剪切和拉伸塑性区主要分布在第七级边坡范围内。虽然分布在表面的拉伸塑性区较少，但模型表面和内部剪切塑性区范围比较大，而且出现连通的现象。这表明该边坡在未采取加固措施的情况下出现深层滑动的可能性比较大，边坡整体稳定性较差。

图4 加固前塑性区分布云图

2.4.2 位移分析

如图5所示为边坡加固前最大位移等值线云图。由图5可知，边坡未加固时，不考虑降雨等因素影响，坡体位移主要因卸荷引起，且由坡体表面向内部逐渐减小。在边坡完成开挖后，其最大位移集中发生在坡面处，且越往上坡面位移越大。由此可见，由于开挖卸荷的影响，在未支护条件下边坡位移有较大幅度增加，已出现了滑坡灾害现象。

图5 加固前最大位移等值线云图(m)

2.4.3 应力分析

如图6～7所示为边坡加固前第三主应力及第一主应力等值云图。从图6～7可知，边坡未支护时，边坡表面及坡体深部第三主应力均表现为压应力性质，边坡整体上没有出现拉应力；同时，边坡表面和其余部分的第一主应力均表现出较好的层状分布，与边坡岩土层厚度存在较好的适应性，表明边坡体主要受压应力作用，而受拉应力作用的影响较为微弱。

图6 加固前第三主应力等值云图(Pa)

图7 加固前第一主应力等值云图(Pa)

3 锚杆(索)框架梁加固边坡稳定性分析

3.1 顺层边坡加固方案

根据原地质钻孔及现场开挖情况，该段边坡为顺层滑坡，设计中主要采用上部卸载、坡面加强防护和坡脚加固等处治方案。对于高路堑边坡工程施工，严格按照自上而下的开挖施工顺序进行，坡面开挖应尽可能一次性成型，待上级边坡防护工程全部施作完成并能发挥作用后方可进行下级边坡的施工，遵循“开挖一级防护一级”的原则，直至全部边坡防护工程结束。本段高路堑边坡采用台阶式放坡，开挖由上至下分为9级，每10 m分一级。边坡防护、加固工程方案如表2所示，锚索框架立面图和锚杆格梁立面图分别如图8、图9所示。

锚索施工工艺流程为：施工准备→锚孔钻造→锚索制作安装→锚孔注浆→框架梁施工→锚孔张拉锁定→验收封锚等。其主要施工环节有两个：(1)锚孔成孔，其技术关键是如何防止孔壁坍塌、卡钻；(2)锚孔注浆，其技术关键是如何将孔底的空气、岩(土)沉渣和地下水体排出孔外，保证注浆饱满密实。锚索锚孔孔径为φ150 mm，锚索材料采用高强度低松弛的φ15.24 mm预应力钢绞线，钢绞线强度f=1 860 MPa，张拉控制应力为550 kN，采用与其配套的锚具系列，锚孔内灌注M30水泥(砂)浆，水泥采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥。

表2 边坡防护方案表(自上而下)

图8 锚索框架立面图(mm)

图9 锚杆格梁立面图(cm)

3.2 模拟原理和方法

3.2.1 模拟原理

锚杆框架、锚索框架梁多应用于岩质高边坡工程中，具有加固表层岩土体的作用，能够有效防止边坡滑塌灾害。锚杆的作用机理主要是岩土体变形通过粘结材料传递给锚杆，锚杆受拉受剪从而起到加固岩土体的作用；预应力锚索的作用机理主要是通过对锚索所施加的预应力将稳定体与滑动体联结为一个整体，从而增加岩土体各层面的抗滑力。可以说，锚杆和锚索可以分别看作是被动式支护结构和主动式支护结构[9]。

3.2.2 模拟方法

岩土体的开挖通过FLAC 3D软件中的NULL单元来实现。锚索单元可在拉(压)力下达到屈服状态，但不能承担弯矩作用。其锚固段采用空间弹簧粘结滑移单元来模拟，采用摩尔-库仑准则作为屈服准则。锚杆单元结合了梁与锚索单元的特性，在岩体网格中通过剪切与法向非线性联结弹簧实现与其相互作用。框架梁单元为三维线弹性单元，可以承受一定的弯矩，允许一定的挠曲。锚索(杆)与框架梁单元之间及其与岩土体的相互作用通过联结实现，并将力传至其所附着的岩土体，最终在数值模拟中实现加固体之间以及其与所加固岩体之间的相互作用[10-11]。

3.3 稳定性分析

本计算模型共施加锚杆(索)单元、梁单元等结构单元共3 184个，结构节点共4 731个。

3.3.1 塑性区分析

如图10所示为边坡支护后塑性区分布云图。由图10可知，边坡经支护处理后，处于剪切塑性状态的区域大幅减少，且集中出现在坡顶以下的深部坡体中；拉伸塑性区域主要分布在第六级、第八级及坡底范围内；剪切和拉伸塑性区则主要分布在第四级及第六、七级交接处。由此可见，分布在坡面的剪切塑性区大幅较少，而模型表面拉伸塑性区范围相应增大，但并未出现连通的塑性体，这是由于锚索(锚杆)与框架梁单元之间以及其与岩土体的相互作用产生了对边坡滑坡体的挤压、嵌固效应，使被挤压的岩土体出现了部分拉伸塑性变形，这也表明采取锚索(杆)框架梁加固措施能够有效保证顺层边坡岩土体的稳定。

图10 支护后塑性区分布云图

3.3.2 位移分析

如图11所示为边坡支护后最大位移等值线云图。由图11可知，边坡经支护后，由于锚索(杆)框架梁及预应力的影响，临空向位移量显著减小，坡体最大位移出现在坡面第四级台阶平台附近范围内，此时，最大位移量仅为18.73 mm。由此可见，岩土体已与加固结构形成一个复合整体，使坡体开挖后的顺坡向位移有较显著的减小，极大提高了边坡的稳定性。

图11 支护后最大位移等值线云图(mm)

3.3.3 应力分析

如图12～13所示，边坡支护后，边坡表面第三主应力值较小且拉、压应力表现并不明显，坡底则表现出拉应力性质，表明仅有坡底受微弱的拉应力作用影响，边坡表面及深部整体上没有出现拉应力，这对边坡整体的稳定是有利的。因此，锚杆(索)框架梁组合结构的支护效果比较明显。

3.3.4 结构单元受力分析

如图14所示为锚杆(索)及框架梁布置云图，如图15所示为开挖-支护工况下锚杆(索)框架梁的最终受力状态云图。从图14～15可以看出，第五级～第八级边坡锚索的轴向拉力最大，达到了400 kN，等于设计所施加的预应力值，这说明锚索框架结构与岩土体并未出现滑动、应力松弛甚至失效的现象，该组合结构处于良好的设计受力状态。