姚一鸣
(昆明理工大学,云南 昆明 650000)
从上个世纪 60 年代开始[1],有人采用数值方法进行边坡的应力分析。美国 Itasca 公司也推出了FLAC3D被运用于边坡动力变化分析中,目前广泛应用于边坡稳定性系数和变形特征研究中[2]。
而预应力锚索支护技术是目前边坡加固的常见技术之一,对边坡有着良好的支护效果[3]。
本文采用FLAC3D 对马鞍山小学边坡进行稳定性分析,研究边坡稳定性并提出基于预应力锚索的锚固初步支护设计方案,并对初步设计方案进行优化,探索不同因素对边坡支护效果的影响。
马鞍山小学滑坡(图1)总体平面形态呈不规则的舌型,H1 滑坡已发生下滑,总体坡向310°。滑坡体宽约20m,斜长约42m,前后缘地形高差约21m。滑坡后缘为高约2.0-5.0m 的土质陡坎,坡度近于直立。在其后缘形成一次级滑坡体H1-1,平均地形坡度约32°,主滑方向310°,主轴长34m,宽约20m,面积约480m2,前后缘地形高差约24m。主要地层有为第四系残坡积层,石炭系中上统泥质粉砂岩。
图1 工程地质平面图
根据地形地貌及台坎、地表开裂的位置来确定滑坡周界,前缘为高陡临空面,地形地貌可以为滑坡的滑动提供临空面和剪出口,判定为滑坡前缘。滑坡后缘茶地中出现多条裂缝,判定为滑坡后缘。
根据现场调查访问,H1 滑坡目前处于稳定状态。而H1 滑坡后缘的陡坎自稳能力较差,若不进行工程治理,可能导致其后缘茶地次级滑坡体H1-1 产生牵引式滑动,因此对该边坡进行加固处置。
本次数值模拟计算采用 FLAC3D。根据土工试验结果确定土体物理力学参数见表 1。
表1 边坡数值模型参数
计算选取滑坡中部一典型剖面进行计算。图2 为该边坡的现状模型。1 为粘土1,2 为粘土2,3 为泥质粉砂岩。
图2 边坡建模图
经过计算,H1-1 稳定性系数为1.028,处于临界稳定状态。结合图3 临界状态其与现场边坡局部失稳状态一致。
图3 边坡合位移云图
采用预应力锚索对边坡进行支护。锚索自由端长度为6-12m,锚固段长度为4m,垂直间距为2m,锚索倾角为35°。根据建筑边坡工程技术规范,对预应力锚索的材料及构造进行设计。锚索杆体采用无粘结钢绞线,AST-MA416-87a 标准270 级钢绞线,根数1x7,直径Φ 为15.24mm。钻孔孔径为150mm。水泥浆选用普通硅酸盐水泥,灰砂比1.2,水灰比0.4。自锚索孔底一次性压满水泥浆,自由端采用防护油、塑料管隔离。锚索设计拉张力为800KN。
图4 边坡支护模型
如图5 所示,计算锚固后的边坡临界状态,在初步设计方案锚固下,边坡的稳定性系数为1.33,处于稳定状态且满足相关规范要求。
图5 锚固边坡临界状态
预应力锚索支护的初步设计方案,极大地提高了H1-1 边坡的稳定性。但其结构设计仍然存在这优化的可能性。本次优化设计主要考虑:预应力锚索垂直间距及锚索倾角两个方面。首先如下图6、表2,调整预应力锚索垂直间距,分别为:1m、2m、3m、4m、5m。建立相应的优化模型,计算其临界状态,分析边坡稳定性变化情况。
表2 预应力锚索垂直间距优化设计
图6 垂直间距对边坡稳定性的影响
如图7 所示,垂直间距对边坡的稳定性影响存在临界状态。当垂直间距为2m 时,安全系数达到最大。
图7 锚索垂直间距与边坡安全系数的关系
探究预应力锚索倾角的变化对边坡安全系数的影响。如图8 所示,拟采用垂直间距为3m,建立边坡支护倾角优化模型,调整预应力锚索倾角分别为:15°、20°、25°、30°、35°。分析不同倾角对于边坡稳定性的影响。如下表3 所示。
表3 预应力锚索倾角优化设计
图8 倾角对边坡稳定性的影响
如图9 所示,当倾角变化为30°、25°时,边坡的安全系数大幅增加。
图9 锚索倾角与边坡安全系数的关系
对预应力锚索的初步设计方案优化设计:垂直间距调整为3m,倾角调整为25°。支护后的边坡稳定性系数为1.49。优化后不仅提高了边坡的稳定性,还极大地降低了成本。
(1)在自然工况下,边坡的稳定性系数为1.028,边坡处于失稳状态。且模拟结果与实际调查结果一致。
(2)提出了预应力锚索的初步支护设计方案。支护后边坡处于稳定状态,安全系数为1.33。
(3)在该边坡支护中,当锚索垂直间距为2-3m,倾角为20°-30°时,对边坡最有利。