某高速公路路堑高边坡支护方案及优化

邢培营

(广东省公路建设有限公司,广东 广州 510623)

0 引言

随着我国经济的迅速发展,高速公路工程的建设里程逐年增长,而我国地质条件复杂,在大型边坡治理工程中高边坡的支护和加固往往成为公路工程建设的重要节点之一。

在对边坡的研究中,顾婕[1]研究了加筋土边坡的稳定性,基于强度折减法,应用有限元软件分析了边坡的几何参数、加筋土参数、土体强度等对边坡稳定性的影响,结果表明对边坡稳定性影响大小的因素依次为土体黏聚力、内摩擦角、筋材长度、筋材间距;高冯[2]等研究了单面和双面边坡的稳定性,在坡体的各个参数对边坡稳定性影响的分析中得出单面、双面边坡安全稳定系数的影响特征规律;马蓓青[3]等对黄土边坡在持续降雨工况下的稳定性进行了研究,采用FLAC3D对降雨工况进行了模拟,研究结果表明降雨时间的增加使得黄土边坡含水量增加,土体的强度降低,冲蚀沟发育,坡脚出现坍塌、坡顶出现裂缝;叶志程[4]等采用MIDAS/GTS软件对自然状态、暴雨状态、地震状态下的边坡稳定性进行了分析,针对各工况下边坡稳定性的情况对潜在滑动面采用预应力锚杆进行加固,使得边坡的稳定性达到了永久边坡的要求;章瑞环[5]等对多级黄土边坡的稳定性进行了研究,并给出了一种系统的分析方法,推导出边坡在各工况下的安全系数的解析式,通过算例验证该方法的计算结果与传统方法的计算结果偏差为5%,进一步提升了边坡稳定性的分析精度;杨雪菲[6]等对干湿循环下的花岗岩残积土边坡的稳定性进行了研究,结合室内试验,对不同程度的干湿循环土体进行模型试验,得到了边坡裂缝的发展规律,认为干湿循环作用下裂隙的扩展加快了水对土体的作用,边坡失稳的速度加快;罗戌[7]分析了类土质边坡加固后边坡坡体变形的特点及锚杆(索)应力的变化特征。

边坡稳定性的研究一直在不断发展,但我国地质条件多变,往往在不同的工程条件下对边坡的支护和加固不同,理论研究往往滞后于工程实际应用。本文依托某高速公路路堑高边坡工程,对边坡支护方案下边坡的稳定性和变形等特性进行分析,以期为工程实践提供参考。

1 边坡支护现状

从边坡的破坏机理来看,目前主要的边坡支护措施可分为两类:第一类为减少边坡的下滑力,减小边坡的荷载,如降低坡顶荷载、加固坡脚堆载、减缓坡率等,常配合应用一些临时支护措施;第二类为增加支护结构,增大滑坡的阻滑作用,提升边坡的稳定性,常作为永久性的边坡结构。

本文在边坡支护中采用格构梁、锚索抗滑桩等结构对边坡进行支护加固。抗滑桩和格构梁都是在工程应用中比较广泛的工法,技术成熟,但在边坡的支护中设计相对保守,容易造成资源的浪费。本文采用锚索抗滑桩和格构梁共同作用的方式对边坡进行支护处理,分析该方案的边坡稳定性和变形规律。

2 工程概况

本文以某实际工程为背景进行分析。某高速公路高边坡路堑段地形复杂,高低不平,总体南北低、中部高。该路堑高边坡位于路线桩号为K12+150.265～K12+265.123段,高边坡工段长约110m。设计路面标高与自然边坡高差较大,自然边坡夹角较大,表层为发育良好的灌木。踏勘现场未发现不良的地质现象,偶在坡面发现少量裂隙,不利于路堑边坡的开挖。地勘资料显示,该区域基岩属于白垩纪早世侵入岩,上覆盖新生界第四系。拟建项目在K12+180横断面处坡面最高,该处的地层情况自上而下可分为5层,如图 1中编号①～⑤所示。第①、②层为粉质黏土,黄、灰色,含粉细砂,局部呈可塑、硬塑状,厚度为6～9m;第③层为砂质粘性土,红褐、黄色,含中砂量较多,局部可见残余岩块,遇水软化、崩解,厚度为2～3m;第④层为花岗岩残积土,黄褐色,易软化、崩解,厚度为7～8m;第⑤层为碎块状花岗岩,结构清晰、碎块状,厚度为8～9m。

图1 K12+180横断面(单位:m)

如图 1所示,根据地勘资料和地层走向,对路堑高边坡进行支护处理,采用抗滑桩和格构梁对边坡进行加固。抗滑桩桩长20.5m、桩径1.5m,纵向间距为3.5m,埋入土层的深度为9m。采用3根锚索对抗滑桩施加预应力。锚索分别位于抗滑桩桩顶每3m的间隔进行设置,锚索与水平面的夹角为30°。锚索1和锚索2的预应力为300kN,锚索3的预应力为200kN。桩顶以上部分,采用坡率法进行放坡处理,坡率为1∶1。坡面采用格构梁和锚杆进行处理,锚杆的预应力均为70kN,与水平面的夹角为15°。锚杆和锚索均采用压力分散型,保证锚索和锚杆的锚固作用。

3 数值模拟分析

3.1 边坡模型

针对本次边坡的方案情况,选择MIDAS/GTS数值模拟软件对边坡方案进行分析。MIDAS/GTS软件内置多种本构模型,在对复杂工况的模拟计算中应用广泛,其理论基础与运算模式得到了广泛的认可。为保障模型建立的合理性和有效性,本次建立的模型采用2D进行模拟,模型结构参考图 1中所示的几何尺寸。对土层的模拟采用平面应变单元,本构模型选用Mohr—Coulomb,格构梁、抗滑桩、锚索、锚杆则采用1D结构单元进行模拟,本构模型为弹性。其中锚索分别进行自由段和锚固段的划分,在锚固段施加预应力,土层单元的参数参考地勘资料,各结构单元和土层单元的网格密度均为1m。模型的参数见表1,计算模型如图 2所示。

表1 模型参数

图2 有限元模型

模型建立后首先对自然边坡的状态进行恢复,初始地应力平衡,再进行模拟开挖和实施支护措施。采用强度折减法对边坡的稳定性进行计算。

3.2 计算结果分析

3.2.1 边坡稳定性

对边坡自然状态的有效塑性区云图进行分析,如图 3所示。

有效塑性区能够反映边坡土体的塑性状态,塑性区发育较大的区域为边坡的不利位置,土体容易受到破坏。由图3可见,自然状态下边坡坡脚处塑性区的发育最大,是边坡最不利的位置。边坡开挖后,坡脚处的塑性区被挖除,此时的抗滑桩设置位置穿过塑性区,桩顶的坡面向上延伸,阻碍了自然边坡塑性区的发育。加固后经过强度折减法的计算,边坡的最终稳定系数为1.65,符合《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)对高速公路路堑边坡稳定系数的要求。

图3 边坡有效塑性区云图

边坡的稳定系数不能完全反映边坡的稳定情况,还应对边坡结构的位移变化情况进行分析。本文对抗滑桩桩身的水平位移值进行分析,如图4所示。

图4 桩身水平位移

由图4可知,抗滑桩的桩身水平位移值呈上部大、下部小的变化形式,桩顶的水平位移值为13.5mm,桩底的水平位移值为2.5mm。自上而下呈斜“7”字形,水平位移的最大值位于桩身高度15m处,为15.3mm。桩身的这种变化曲线说明在边坡开挖后,桩身位移随桩身高度的增加而增大,但在桩身高度15m处出现拐点。这是因为预应力锚索为抗滑桩提供了一个作用于边坡滑动反向的锚固力,在锚索与抗滑桩的共同作用下,桩身上部的水平位移值有所减小,桩顶的水平位移值未随桩身高度的增加而持续增大,桩顶位移值得到了有效的限制。因此,预应力锚索的实施,有利于限制桩顶的水平位移,可在工程对桩顶水平位移有较高要求时起到良好的效果。

3.2.2 抗滑桩受力

对抗滑桩桩身的受力情况进行分析,分为加锚索和不加锚索两种工况进行对比分析。图 5所示为加锚索和不加锚索两种工况下抗滑桩桩身的剪力变化情况。

由图 5可知,在桩身的剪力变化中,加锚索与不加锚索两种工况的剪力变化大致趋势一致,均为两端小、中间大。最大值均在桩身高度9m处,不加锚索的最大值为1 000kN,加锚索的最大值为630kN。由图5可见,不加锚索工况的剪力最大值和桩身0～6m范围内的剪力值均比有锚索的工况大,而加锚索工况的剪力值仅在桩身14～22m范围内的剪力值较大。桩身在施加锚索后,抗滑桩与锚索连接处受到预应力锚索的预应力,使得桩身14～22m范围内的剪力值局部增大,但同时桩身其它地方的剪力值均得以减小。这说明实施预应力锚索不仅能够减小桩身所受的剪力,还可均衡桩身的剪力分布,使得桩身所受的剪力分布更加均匀,对桩身受力配筋设计有利。

图5 抗滑桩桩身剪力变化

对桩身加锚索和不加锚索两种工况下的桩身弯矩进行分析,如图 6所示。

由图6所示在两种工况下桩身的弯矩变化情况可知,两种工况下抗滑桩的桩身弯矩图形基本一致,均呈数字“3”的形状,均在桩身高度为8m有弯矩值的反向变化。不施加锚索的弯矩最大值出现在桩身高度6m处,最大值为2 850kN·m,此处为桩身埋置地面以下3m处。加锚索后,桩身的弯矩情况发生了较大的变化,最大值在桩身高度12m处,最大值为1 200kN·m。相较于不加锚索的工况,加锚索后桩身的弯矩值不仅在数值上大幅度减小,并且整个桩身的弯矩分布情况也随之发生改变,使得桩身弯矩值分布更加合理。

图6 抗滑桩桩身弯矩变化

3.3 方案优化

考虑不同桩间距对边坡稳定性的影响,本文对桩间距为2.5m、3.5m和4.5m的稳定性进行分析,分析结果如图7所示。

图7 边坡稳定系数变化

由图 7可知,边坡的稳定系数随桩间距的增大而逐渐减小,在桩间距2.5～3.5m时减小幅度较小,在桩间距3.5～4.5m时减小幅度较大,这说明桩间距的增大对桩间土拱的形成影响较大。合理的桩间距能够在保证边坡稳定的基础上节省工程造价,因此,本次边坡的桩间距可调整为4.5m。

4 结论

本文采用MIDAS/GTS有限元软件对路堑高边坡支护方案进行了模拟,对边坡结构的稳定性、变形和受力情况进行了分析,得到以下主要结论:

(1)抗滑桩设在贯穿塑性区的位置,整个支护体系有利于边坡的稳定性,稳定系数为1.65。

(2)抗滑桩桩身水平位移自上而下呈斜“7”字形变形,最大值为位于桩身高度15m处,为15.3mm。

(3)锚索的施加有利于减小桩身的剪力值和弯矩值,同时也有利于桩身剪力值和弯矩值的均匀分布。施加锚索抗滑桩的桩身最大剪力值为630kN,最大弯矩值为1 200kN·m。

(4)对不同桩间距工况下边坡的稳定性进行分析,得出合理的桩间距为4.5m。