挡墙联合锚杆加固边坡效果分析

2024-03-08李宏强智学美常伟世

地下水 2024年1期

李宏强,智学美,金磊,常伟世

(中冀建勘集团有限公司,河北石家庄 050200)

0 引言

山区边坡稳定性及知支护工程是关乎国民生计的重要问题。既有研究表明,影响边坡稳定性的因素有很多,如降雨、地震级工程扰动等。其中降雨是影响边坡稳定性的主要因素。针对边坡防护工程,常用的手段有挡墙、抗滑桩、锚杆及框格梁等。其中挡墙联合锚杆加固边坡也是目前常用的加固手段之一。张思峰等[1]基于有限差分数值分析模型系统的研究了分散型锚杆挡土墙受力及影响因素。结果表明,支护结构位移随地基图内聚力的增大而减小;而结构的弹性模量对挡墙的内力和变形影响不显著,此外,增加锚定板数量有利于提高加固效果。司亚蔚等[2]基于现场监测研究了排桩锚杆与土钉墙联合支护在深基坑的加固效果。结果表明,联合支护结构可以有效提高边坡稳定性,是一种安全合理的支护形式。聂勇等[3]基于数值模拟研究了锚杆对悬壁式挡墙抗滑稳定性的影响。结果表明,当采用锚杆与悬壁式挡墙协同工作时,边坡稳定性显著提高。乔光禄[4]基于理论分析研究了锚杆式挡墙的抗震设计方法。分析了惯性力触发锚固式挡墙产生位移机理,深入探讨挡墙的破坏形式和破坏机理。罗江波[5]依托工程实例,通过对设计方案进行比较和验算,证明了采用悬臂式挡土墙上加设锚杆的设计方案是安全可行的。并进一步通过施工效果检验,对悬臂式锚杆挡土墙处理高填土边坡的合理性和安全性做出了评价。

目前,对边坡稳定性分析有很多研究。然而,针对冻融循环和蠕变特性对土体强度的影响研究仍然比较匮乏。本文选取了基于冻融区岩土体,开展了冻融循环下土体强度参数的变化规律,并采用强度折减法建立冻融循环与边坡稳定性的关系。本文研究为类似边坡的稳定性分析和支护设计提供参考。

1 工程概况与数值模拟

研究区边坡位于某山区铁路段边坡。地处湿润半湿润地区,降雨量集中。年平均气温17.7℃,最高气温40.9℃,极端最低气温-3.3℃。多年平均年蒸发量1 395.6 mm,多年平均相对湿度68%,最大风速15.3 m/s,多年平均年降水量748.4 mm,最大日降水量168.2 mm,降水集中在5-10月,雨季降水量占全年降水80%～90%。根据钻孔资料揭示,研究区边坡岩层由上到下分别为粉质黏土、碎石土和砂岩。其中,粉质黏土层呈浅灰色,湿,稍密,局部相变为黏土。平均标贯击数N=6.6击,物理力学性质一般。碎石土呈灰色-灰黑色,颗粒大部分分散小部分胶结,粒径大于2 mm的颗粒含量占总质量50%以上,稍湿～饱和,中密状态。根据勘察资料,研究区降雨量充沛,降水多数以地表径流方式汇入河沟,其余降水沿第四系基岩孔隙渗入地下,是地下水补给主要来源。根据工程需要需对该边坡进行切坡,切坡方式见图1所示(图1)。

图1 边坡典型剖面图

根据典型断面,采用GEO-STUDIO建立数值计算模型。岩土体笨狗模型采用摩尔-库伦模型,模型的边界条件为,约束左右方向的水平位移,底部约束三个方向的位移,顶部为自由面。最终得到的计算模型网格总数为25 630,节点个数为31 205。此外,切坡完毕后,拟采用加固措施进行支护,支护方式主要为锚杆挡墙。挡墙主要分为四级,挡墙立板长度和宽度分别为3.5 m和0.3 m,最后一级挡墙嵌入地下1.0 m。锚杆采用HRB335,其中锚固段长度为5 m,自由端长度为7 m,垂直和水平间距为3 m。采用M30注浆,锚杆入射角为20°。加固后的典型剖面图见图1。数值计算中岩土体的参数见表1～表3。

表1 天然状态力学参数

表2 饱和状态力学参数

表3 锚杆力学参数

2 结果与分析

2.1 边坡稳定性分析

表4汇总得到不同工况下边坡稳定性系数。结果表明,不采取任何支护方式的边坡在天然工况和饱和工况均处于不稳定状态,其中天然工况的稳定性系数为0.951,饱和工况下的稳定性系数大幅降低为0.906;当采用锚杆挡墙的支护后,边坡的稳定性大幅提高,在天然和饱和工况下均处于稳定状态,其中天然工况下稳定性系数为1.967,在饱和工况下稳定性系数为1.782。两者均处于稳定状态,满足规范要求的安全性要求。

表4 不同工况下边坡安全系数

表5 边坡稳定性系数判定标准

2.2 挡墙变形分析

为分析挡墙立板的变形情况,本文计算了支护结构分别在天然和饱和状态下的变形。图2为不同工况下挡墙立板水平位移。结果表明,饱和工况下挡墙立板的水平位移显著大于天然工况下的立板水平位移。且在不同工况下,立板的水平位移均随地面距离的增大而呈线性增大的趋势。在天然工况下,挡墙顶面最大水平位移为1.2 mm,而饱和工况下,挡墙立板顶面的最大水平位移为1.84 mm,饱和工况下水平位移增大了53%。

图2 不同工况下挡墙立板水平位移

图3饱和工况下三级挡墙底板水平位移随底板宽度的变化规律。结果表明,各级挡墙底板水平位移沿底板宽度方向保持不变。其中对于一级挡墙而言,最大水平位移为0.92 mm,二级挡墙最大水平位移为0.63 mm,三级挡墙最大水平位移为0.3 mm.总体来看,挡墙底板水平位移在饱和工况下均比较小,证明挡墙加固效果较好。

图4为不同工况下挡墙立板竖向位移。结果表明,饱和工况下挡墙立板的竖向位移显著大于天然工况下的立板竖向位移。且在不同工况下,立板的竖向位移均随地面距离的增大而呈线性增大的趋势。在天然工况下,挡墙顶面最大竖向位移为1.0 mm,而饱和工况下,挡墙立板顶面的最大竖向位移为1.96 mm,饱和工况下竖向位移增大了96%。

图4 不同工况下挡墙立板竖向位移

图5饱和工况下三级挡墙底板竖向位移随底板宽度的变化规律。结果表明,各级挡墙底板竖向位移沿底板宽度方向保持不变。其中对于一级挡墙而言,最大竖向位移为0.8 mm,二级挡墙最大竖向位移为0.55 mm,三级挡墙最大竖向位移为0.2 mm.总体来看,挡墙底板竖向位移在饱和工况下均比较小,证明挡墙加固效果较好。

2.3 锚杆轴力分析

为进一步研究锚杆轴力的变化规律,本文分别计算了不同工况下锚杆轴力的变化趋势。图6给出了天然状态下锚杆锚固段轴力。结果表明,锚固段端头轴力最大,三排锚杆均处于受拉状态,证明锚杆发挥锚固作用。天然工况下,上排锚杆的最大轴力为24 kN,中排锚杆的最大轴力为266 kN,下排锚杆的最大轴力为107 kN。且在天然工况下,锚杆轴力随锚固段长度呈线性变化规律。

图6 天然状态下锚杆锚固段轴力

图7给出了饱和状态下锚杆锚固段轴力。结果表明,锚固段端头轴力最大,三排锚杆均处于受拉状态,证明锚杆发挥锚固作用。天然工况下,上排锚杆的最大轴力为42 kN,中排锚杆的最大轴力为84 kN,下排锚杆的最大轴力为120 kN。与在天然工况下相比,锚杆轴力在饱和工况下分别增大了75%、27%和12%。此外,本文采用的锚杆抗拉强度为300 N/mm2。因此,在天然工况和饱和工况下锚杆均可以满足受力安全性要求。