基于剩余推力法的南方某高速路边坡的稳定性计算及加固方式探讨

孙世国,宋维琦,王子彪

(北方工业大学土木工程学院,北京 100041)

随着高速路网的完善,山区高速公路增多,高速路边坡稳定性研究成为国内外研究的热点和焦点。经过近三十年的发展,边坡稳定性从定性评价、半定量评价发展到现今的定量评价,评价范围也从区域风险评价发展到区域风险评价与场地风险评价、单体风险评价并举[1]。

近年来边坡变形破坏过程的复杂性以及影响边坡稳定性因素的不确定性,加上一些新学科、新理论的引入和交叉,逐步形成了一些边坡稳定性分析的新方法,比如模糊数学分析法,灰色系统分析法以及神经网络分析法等,在工程实践中,传统的极限平衡法原理简单,其精度可以满足大多数工程的需要,而且是经过长期工程实践被证明了的有效的计算方法因而被广泛使用。剩余推力法是边坡稳定性计算的方法之一,是我国水利、交通和铁道部门在核算滑坡稳定时普遍使用该方法。其优点是借助于滑坡构造特征分析及剩余推力计算,可以获得任意形状滑动面在复杂荷载作用下的滑坡推力,计算方法简洁。锚索具有承载强度高、预应力大、注浆方便、端锚与全长锚固相结合等优点,能加固岩土体,限制其变形,改善岩土体的力学参数及应力状态,适用于复杂条件矿井、水电站、公路、铁路、以及其他灾害边坡等工程的加固治理[2,3]。

本文主要考虑极限状态下边坡稳定性情况,基于剩余推力法获得的滑动面和安全系数计算结果采取相应的边坡加固措施,对稳定性差的边坡分别进行普通锚索、盘式锚索、减载及其组合方式加固,并计算对应造价,得到最优方案。

1 边坡概况及地质特征

据野外调查及钻孔结果,建立了如下地质地层的模型,覆盖层为可塑状粉质粘土,约2.5m厚,容重γ为17kN/m3,摩擦角φ为7°,粘聚力c为15kPa；下伏基岩为粉砂质泥岩,强风化层厚7m～8m,容重γ为20kN/m3,摩擦角φ为14°,粘聚力c为0-6kPa,中风化岩层较稳定,容重γ为22kN/m3,摩擦角φ为35°,粘聚力c为40kPa。

2 稳定性分析及加固

为便于比较分析,本次研究普通锚索均采用1x7标准型、直径21.6mm、公称抗拉强度fptk为1860MPa,抗拉强度设计值fy为1260MPa,每根钢绞线极限张拉荷载为504kN,屈服张拉荷载为454kN,设计钻孔直径取160mm,锚盘安装扩孔尺寸为260mmx180mm。

锚固力设计值根据剩余推力法计算脚本执行,计算时控制安全系数为1.35,根据GeoSlope计算得到的滑面和划分的条块信息计算剩余推力值。使用Geoslope软件,建立边坡几何模型如图1所示,采用Bishop法、Janbu法、M-P法和剩余推力法对边坡天然条件下的稳定性系数进行计算,计算得出该边坡Bishop安全系数为0.275,Janbu安全系数为0.266,M-P安全系数为0.271,剩余推力法安全系数为0.54。根据最新《建筑边坡设计规范》(GB50330-2013)要求,对于永久边坡类型的一级边坡稳定安全系数值应达到1.35以上,因此,设计时尽量控制安全系数在规定值以上。根据条块间推力大小,加固优化可在8～32条块间设置锚索以提高边坡的稳定性(图1)。

图1 边坡几何模型图

2.1 普通锚索加固

根据锚索设计规范和《公路路基设计规范》进行锚索设计：锚索轴向拉力设计值：剩余推力计算结果为928.157kN,滑面倾角10.793°,取锚索倾角为20°,则锚索轴向拉力设计值Na=1.3*928.157*cos10.793/cos20=1261.33kN。

锚索钢绞线最小截面面积：As=1.0*1261.33/(0.69*1260*103)=1451mm2;锚索钢绞线数量：n=1451*10-6/(π*0.02162/4)=3.96,取n=4;锚索布置和单孔锚固力设计值：设计锚索水平间距2.5m,垂直间距5m,共9排,取锚索安全系数为2.2,Pt1=1261.33*2.5/9=350.37kN;锚固体设计：按水泥砂浆与锚索张拉钢材粘结强度计算锚固段长度为Lg=2.2*350.37/(0.6*4*3.14*0.0216*3400)=1.39m,按锚固体与孔壁的粘结强度确定锚固段长度为Lr=2.2*350.37/(3.14*0.16*450)=3.41m,由《公路路基设计规范》规定,锚固长度取Lg与Lr中较大值,不小于3m,不大于10m,且不超过7.2m,因此,该处取锚固段长度4m。

加固后,Bishop的安全系数为1.145,Janbu的安全系数为1.115,M-P的安全系数为1.142,加固后安全系数均未达到1.35以上,不符合要求。

2.2 盘式锚索加固

盘式锚索对比普通锚索的优势在于同样型号的材料设置下,实验表明盘式锚索的承载力接近普通锚索的2倍。加固后,Bishop的安全系数为1.489,Janbu的安全系数为1.394,M-P的安全系数为1.489,符合要求。

2.3 减载措施

减载措施主要综合考虑极限状态与局部危险状态滑动面位置和形状,适当设置平台和削坡方案。减载后,Bishop的安全系数为1.464,Janbu的安全系数为1.333,M-P的安全系数为1.463,符合要求。

2.4 加固与减载结合

普通锚索加固后,Bishop的安全系数为1.486,Janbu的安全系数为1.396,M-P的安全系数为1.487,符合要求。盘式锚索加固后,Bishop的安全系数为1.586,Janbu的安全系数为1.429,M-P的安全系数为1.581,符合要求。

3 工程总造价对比分析

采用广联达计价软件GBQ4.0对该项目进行单位工程预算分析,根据该省建设工程相关计价定额和清单工程算量规则以及最新材料价格信息,结合边坡设计计算结果,分别计算出整体锚索加固、整体减载和加固与减载相结合的总造价清单计价表,计算该标段边坡加固工程总造价,对比各加固方法总造价(表1)。

表1 工程总造价对比汇总

4 总结

剩余推力法计算边坡稳定系数时未考虑水文条件,计算值偏大,植入锚索后对于受力分配问题不能较好解决,因此还不能够广泛应用[4]。

造价分析参考该省2004版定额库,介于市场价格信息搜集局限以及废渣运距统一为1km以内问题,部分人材机价格仍有待调整[5]。

计算结果表明减载措施相对于其它加固方法造价更低,一个原因是该方法废渣运距统一为1km以内,所得价总价偏于保守,另一个原因是计算时出于对于强风化层粘聚力的极限状态考虑,大幅减小了该岩层力学参数粘聚力,导致部分锚索计算用量较保守,但实际稳定性更好。结合加固效果、劳动强度和工程造价,推荐使用盘式锚索加局部减载的加固方法。

[1]丁参军,张林洪,于国荣,等.边坡稳定性分析方法研究现状与趋势[J].水电能源科学,2011(08)．

[2]卢谨华,邬星华,李树亭,等.浅析赣定高速边坡破坏类型与治理方法[J].江西建材,2014(20)．

[3]王艳霞.模糊数学在边坡稳定分析中的应用[J].岩土力学,2010(09)．

[4]熊海丰.基于人工神经网络技术的边坡稳定性评价研究[J].武汉理工大学,2003(05)．

[5]王旭,刘东升,宋强辉,等.基于极限平衡法的边坡稳定性可靠度分析[J].地下空间与工程学报,2016(03)．