基于FLAC3D的边坡支护方案优化研究

杨丽君,赵叶江

(贵州有色地质工程勘察公司,贵阳 550002)

0 引言

西南地区分布着大量的顺层边坡,因其特殊的节理构造及岩体结构最易发生边坡失稳现象,但不同的设计方案对顺层边坡的加固效果不同,因此有必要研究顺层岩质边坡支护方案的优化设计[1-2]。

国内外学者通过使用FLAC3D中的遍布节理模型进行岩质边坡分析。吴顺川[3]等通过强度折减法对边坡稳定性进行分析,研究了顺层边坡失稳时的破坏形态及岩石节理对边坡稳定性的影响。李光扬[4]研究了不同开挖方法对围岩塑性区的影响。在锚杆支护边坡方面,丁秀美[5]等通过FLAC3D建立锚索框架三维模型,研究了锚索框架支护对边边坡内部及边坡坡面应力分布的影响。徐前卫[6]等采用FLAC3D建立模型,研究了预应力锚索对岩体位移变化及应力分布的影响,研究表明,在边坡支护中使用预应力锚索可显著减小边坡位移及附加应力的产生。 在抗滑桩支护边坡方面,张华[7]、雷文杰[8]采用有限元强度折减法研究了桩间距与桩身长度对边坡滑动面的影响规律,并对桩的受力情况及加固效果进行评价分析。谭朝瑞[9]等通过研究抗滑桩设置位置对边坡应力及位移分布的影响,明确指出设置抗滑桩可有效降低边坡失稳及垮塌风险,且抗滑桩宜设置在边坡坡脚位置。张永兴[10]等研究了土拱在抗滑桩应用中的形成与作用。本研究基于三级支护的典型顺层岩质边坡,通过FLAC3D建立数值模型进行计算,对抗滑桩桩身长度及桩身截面积、锚杆锚固倾角及锚固长度进行优化研究。

1 工程概况

该顺层岩质边坡位于某国道处,由于公路靠近国家自然保护区,刷坡条件有限,拟采用放陡边坡的方式减少刷坡。但该段坡体节理发育,稳定性差,放坡后难以自稳,故需进行边坡支护。由于边坡较高,考虑综合采用抗滑桩及锚杆框架梁的形式进行支护。研究工点处边坡岩性如下:残坡积土:褐色、黄褐色,最大揭露厚度0.8 m,呈破碎状。全风化片麻岩:黄绿色、灰褐色,最大揭露厚度8.2 m,呈块状结构,属软岩。强风化片麻岩:灰色、灰绿色,最大揭露厚度5.9 m,呈块状结构,属软岩。中风化片麻岩:灰色、灰绿色,最大揭露厚度11.2 m,呈块状结构,属软岩。弱风化片麻岩:灰白色,最大揭露厚度36.2 m,呈块状结构,属坚硬岩石。

2 模型建立

以地勘资料为依据,采用FLAC3D建立边坡模型,如图1所示,岩体参数取值如表1所示。模型建立结束后,在自重作用下应力平衡,保留平衡后的应力状态进行后续计算研究。

表1 FLAC3D岩体力学参数取值

图1 岩质边坡模型Fig.1 Rock slope model

采用巴西劈裂试验及直剪试验对岩体的力学参数进行测量,模型参数根据上述试验进行取值。

在模型中心处选取一代表性截面,如图2所示。采用三级加固的方式,在破面顶部、中部及坡脚位置分别设置三排抗滑桩及三组锚杆框架梁支护结构,坡面加固方案如图3所示,抗滑桩及锚杆计算参数如表2、表3所示。

表3 抗滑桩计算取值

图2 代表性截面Fig.2 Representative section

图3 坡面加固方案Fig.3 Slope reinforcement scheme

3 边坡支护方案优化

3.1 抗滑桩长度优化设计

在第一级抗滑桩设计中,桩长设计为52 m,嵌固深度为5 m。为了探究减少桩身长度对水平位移的影响,对52～48 m不同桩长的抗滑桩进行计算。由图4可知,在桩身最开始的2 m范围内出现了挤压边坡的负水平位移,使得该处土体受到挤压而产生被动土压力,在之后的桩身长度范围内,抗滑桩由于受到土压力的作用而产生背离土体的水平位移。在桩长小于49 m时,抗滑桩水平位移发生突变,水平位移较其他桩长的水平位移减小0.5 cm,但不同桩长抗滑桩对边坡进行支护后,土体水平位移最大不超过2.5 cm,满足规范要求。

图4 第一级抗滑桩水平位移变化Fig.4 Change of horizontal displacement of the first stage anti-slide pile

如图5所示,抗滑桩稳定系数随着桩身长度的减小而逐渐减小,桩身在50～52 m时,抗滑桩的稳定系数变化较小,桩身在小于50 m时,其稳定系数随着桩身长度的减小快速减小,故第一级抗滑桩的桩身长度经优化后可设计为50 m,此时水平位移为2.2 cm,稳定系数为1.56,满足规范要求。

图5 第一级抗滑桩稳定系数变化Fig.5 Change of stability coefficient of the first stage anti-slide pile

第二级抗滑桩原设计桩长为34 m,嵌固深度为5 m。由图6可知,抗滑桩底部出现了挤压土体的负水平位移,而挤压土体的位移逐渐减小,在锚固接近锚固长度时,抗滑桩水平位移已转变为背离边坡的水平位移,在超过锚固深度后,桩身水平位移先有一个减小的趋势,这主要是由于抗滑桩穿过了岩质边坡的构造破碎带,桩身周围岩层性质突变,使得桩身水平位移发展趋势发生转变,之后水平位移随着桩身长度的增长而增大,在大于25 m时,桩身水平位移保持不变。在第二级抗滑桩支护中,不同长度的抗滑桩水平位移相差不大。 如图7所示,抗滑桩稳定系数随着桩身长度的减小而减小,在桩身长度小于31 m时,抗滑桩稳定系数显著减小,故第二级抗滑桩的桩身长度可取31 m,此时水平位移为1.4 cm,稳定系数为1.45,满足规范要求。

图6 第二级抗滑桩水平位移变化Fig.6 Change of horizontal displacement of the second stage anti-slide pile

图7 第二级抗滑桩稳定系数变化Fig.7 Change of stability coefficient of the second stage anti-slide pile

第三级抗滑桩原设计桩长为18 m,嵌固深度为5 m。由图8可知,第三级抗滑桩并没有出现挤压边坡的负水平位移,而全部都是背离土体的位移,在锚固段范围内,抗滑桩水平位移随着桩身长度的增加而增加,在锚固段范围外,抗滑桩水平位移随着桩身长度的增加而减小,故在第三级抗滑桩支护中,桩水平位移最大值出现在锚固临界面的位置。

图8 第三级抗滑桩水平位移变化Fig.8 Change of horizontal displacement of the third stage anti-slide pile

如图9所示,抗滑桩稳定系数随着桩身长度的减小而减小,在桩身长度小于16 m时,抗滑桩稳定系数显著减小,故第二级抗滑桩的桩身长度可取16 m,此时水平位移为0.188 cm,稳定系数为1.42,满足规范要求。

图9 第三级抗滑桩稳定系数变化Fig.9 Change of stability coefficient of the third stage anti-slide pile

由上述试验结果可知,不同长度抗滑桩对岩质边坡进行支护时,抗滑桩稳定系数都随着桩身长度的减小而减小,且在边坡岩性发生突变的地方抗滑桩的水平位移也会发生突变,在一定范围内适当减短抗滑桩的桩身长度并不会引起桩身水平位移的大幅度改变,故在满足规范的条件下可通过减小桩身长度来进行优化设计。

3.2 抗滑桩截面积优化设计

以第一级抗滑桩支护为例,取桩长为50 m,仅通过改变抗滑桩截面面积来研究抗滑桩截面面积对桩水平位移的影响。由图10可知,不同截面积抗滑桩水平位移随桩身长度的变化趋势一致,且不同截面积抗滑桩水平位移相差不大,故在桩长相同的条件下可选用更小截面积的抗滑桩来进行边坡支护。

由图11可知,抗滑桩稳定系数随着桩身截面积的减小而减小,在桩身截面积大于6 m2时,稳定系数随截面积的减小略微减小,在桩身截面积小于6 m2时,稳定系数随截面积的减小迅速减小,故在第一级抗滑桩支护中,抗滑桩截面面积可选为6 m2。

图11 不同截面积抗滑桩稳定系数变化Fig.11 Change of stability coefficient of anti-slide pile with different cross-sectional area

由上述研究可知,改变抗滑桩的截面面积并不会显著改变桩身的水平位移,但抗滑桩截面面积会显著影响抗滑桩稳定系数,存在一个临界截面积使得桩身截面积在小于临界面积时,稳定系数随着截面积的减小迅速减小,而在桩身截面积大于临界面积时,稳定系数随着截面积的减小只会略微减小。

3.3 锚杆嵌入角度优化

根据相关规范,锚杆嵌入角度宜为10°～35°。为了研究锚杆嵌入角度对顺层岩质边坡支护效果的影响,以第一级支护为例,在保持其他设计参数不变的情况下,通过改变锚杆嵌入角度来分析锚杆嵌入角度对顺层岩质边坡稳定性的影响。

由图12可知,边坡最大水平位移随着锚杆嵌入角度的增大而逐渐减小,这是由于锚杆倾角越大,对边坡的拖拽作用越强,故对边坡水平位移限制越显著,水平位移随着锚杆倾角的增大而减小。

图12 不同倾角下边坡最大水平位移Fig.12 Maximum horizontal displacement of slope under different inclination angles

由图13可知,随着锚杆倾角的增大,锚杆稳定系数在逐渐增大,这主要是由于锚杆嵌入角度越大,对边坡的拖拽作用越强,对边坡的支护作用就越明显,故稳定系数随着锚杆倾角的增加逐渐增大。

图13 不同倾角下边坡稳定系数变化Fig.13 Variation of slope stability coefficient under different dip angles

3.4 锚杆锚固长度优化

锚杆倾角越大,边坡稳定系数越高,故使锚杆倾角保持为33°不变,仅改变锚固段长度来研究锚固长度对顺层岩质边坡稳定性的影响。

由图14可知,随着锚固长度的增大,边坡最大水平位移逐渐减小,当锚固长度小于8 m时,边坡最大水平位移随着锚固长度的增加显著减小,当锚固长度大于8 m时,边坡最大水平位移随着锚固长度的增加,减小速率变缓。

图14 不同锚固长度时边坡最大水平位移变化Fig.14 Maximum horizontal displacement of slope varies with different anchoring lengths

由图15可知,边坡稳定系数随着锚固长度的增加而增大,这主要是由于锚固长度越长,锚杆与周围岩壁摩擦累计的摩阻力越大,对锚杆框架的拖拽作用越强,故稳定系数随着锚固长度的增加而增大。

图15 不同锚固长度时边坡稳定系数变化Fig.15 Stability coefficient of slope varies with different anchoring lengths

4 结论

对顺层岩质边坡采用抗滑桩与锚杆支护进行研究,在原有的设计方案中对抗滑桩桩身长度及桩身截面积、锚杆锚固倾角及锚固长度进行优化设计,得到以下结论。

不同长度抗滑桩对岩质边坡进行支护时,抗滑桩稳定系数均随着桩身长度的减小而减小,在边坡岩性发生突变的地方,抗滑桩的水平位移会发生突变,在一定范围内适当减短抗滑桩的桩身长度并不会引起桩身水平位移的大幅度改变,故在满足的规范的条件下可通过减小桩身长度进行优化设计。

改变抗滑桩的截面面积并不会显著改变桩身的水平位移,但抗滑桩截面面积会显著影响抗滑桩的稳定系数,存在一个临界截面积使得桩身截面积在小于临界面积时,稳定系数随着截面积的减小迅速减小,而在桩身截面积大于临界面积时,稳定系数随着截面积的减小只会略微减小。

边坡最大水平位移随着锚杆锚固倾角的增加、锚固长度的增加而增加,边坡稳定系数随着锚杆锚固倾角的增加、锚固长度的增加而增加,故在进行锚杆框架支护设计时可通过增大锚固倾角和增加锚固长度提高边坡稳定性