董开亮

本文根据勘察报告中所提供的岩土体力学参数与坡体地质情况,运用ANSYS有限元软件模拟分析了湖南某高速公路柱板式锚杆结构加固边坡的位移与应力变化情况,并且试验观测验证了柱板式锚杆结构加固边坡的良好效果。

1 工程概况及水文地质条件

根据勘察报告,该处滑体剖面自上而下的岩层为:①黏土冲积层,紫红色、松散、孔隙率大、易渗水,含25%左右的基岩风化残余砾块,粒径2 mm～5 mm,厚度约 2 m;②强风化砂岩层,以紫红色亚黏土为主以及与泥质粉砂岩风化碎块组成,中夹50%左右粒径0.5 cm～4 cm的碎块,厚度3 m～10 m。第1号、2号滑体主要是沿该滑动带底板滑动;③中风化砂岩层,以紫红色的粉砂岩为主,薄层状,水平层理,裂隙发育,呈张剪性,岩石被切割成 3 cm～15 cm的碎块,构造裂隙一般被石膏充填,可沿该裂隙面形成滑动面,厚度4 m～8 m;④微风化砂岩层,紫红色泥质粉砂岩,中厚层状,岩石坚硬,属于滑床部分。

2 有限元法对滑体处治效果的模拟分析

2.1 建立模型

在有限元建模过程中我们做了以下假设:1)为了减除因模型外形奇异引起的计算不收敛,对模型进行一些局部的简化。如对风化程度不同的地层界面的考虑,是采用直线还是折线来代替。2)假设在所分析计算的地层区域内,不存在断层等不连续的因素,每层岩体内部在水平方向上同质均匀。

根据具体的地形、地质钻孔资料,建立了二维模型来进行分析。取分析模型的长、高分别为72.5 m,35 m。建好后的模型如图1所示。

2.2 单元网格划分与边界条件设置

在模型中,采用Plane42来模拟各地层,Beam3模拟坡表的柱板混凝土结构,Link1模拟锚杆结构。网格划分时选取了“四边形选项”设置,使网分好的模型外部表征为四节点单元,模型网格划分好后,单元总个数为1 567(处治前)。对于边界条件的设置,模型底部采用的是全约束(X,Y),左侧边界进行了水平方向(X)的约束。网格划分后的模型如图2所示。

2.3 定义材料属性及参数调节

在经过对坡体处治前模型反复计算与参数调整后,最终所采用的岩土体力学参数如表1所示,这些数据为进一步模拟分析与评价整治效果提供了基础。

表1 实际计算所采用的各层物理力学参数

2.4 模型求解及结果分析

文中分析选用全牛法以及DP屈服准则与位移收敛准则。在模型求解结束后,对位移、应力的分布进行了查看,绘制出了模型的各种等值线图,从边坡加固前后的等值线变化来看:最大水平位移从加固前的165 cm变为加固后的27 mm,且分布区域有所减小并从上部向下部转移,表明加固措施取得了一定的效果;从剪应力的分布来看,由于锚杆的作用,强风化与中风化砂岩层的剪应力集中情况有一定的减弱,并向深部的微风化砂岩层转移。各锚杆所受轴力分布如图3所示。

从以上的分析来看,采用柱板式锚杆结构加固边坡后,坡体的位移及应力分布得到了明显的有利于稳定的改善。在实体工程处治中,我们采取此种柱板式锚杆结构来治理该处边坡,并进行了柱板式锚杆结构的详细设计。

3 应用效果观测与分析

3.1 测量器件布设

由钻探的地质资料及现场施工的钻进情况,滑面位置约处于坡面下12 m～14 m范围内,为了解其内力分布,均匀布置钢筋计。锚杆由布设的钢筋应力计测量,其中应变片式钢筋应力计由YJ-18静态电阻应变仪测量。测量时应变片式钢筋应力计并联于所测量的锚杆上与其共同变形。其所测量的应变即锚杆的应变值。钢弦式钢筋应力计串联于锚杆上,测量较为简单,可由PZX-1型振弦式频率检测仪直接读出其对应内力的频率,通过其标定的曲线即可定出。因其读数简单,准确,且元件稳定性好,受环境影响小,其作为测量校正用。

3.2 测量结果及分析

本测量从2008年7月7日起,各钢筋计测量结果如表2,表3所示。

表2 M27锚杆钢筋计测量结果表

表3 M7号钢筋计测量结果表

从记录数据来看,被动式砂浆锚杆内拉力,其受力最大处为距孔口7 m～8 m处,可能是滑面位置。在灌浆后7 d锚杆拉力达到一个峰值,然后在后几个月内保持基本稳定。

将2号孔的编号为99023,99003,99025的应变片式钢筋应力计的三次实测的拉伸力(t)(三次实测时间为2008年7月15日,2008年9月5日以及2009年9月24日)作成如图4,图5所示的曲线,可以看出:在一根被动式砂浆锚杆上,锚杆受力是不均匀的,靠近孔口段受力大,随孔深加大而渐渐减小,但它们随时间的变化值则大致相等,这与理论分析的预期结果相一致。

将观测值与有限元分析计算结果进行对比可见,结果是比较吻合的,只是锚杆受力大小的部位有所差别,可能是与计算时滑移面的处理不能完全真实有关。从观测与计算结果来看,该边坡的设计与处理是成功的。

4 结语

利用ANSYS有限元软件强大的岩土分析功能,对典型断面采取柱板式锚杆结构处治后的效果进行了模拟评价,为指导设计提供了一定的技术支撑。通过后期对实体工程锚杆的跟踪监测,其观测值与分析计算结果比较吻合,在一定程度上反映出边坡设计与处理是比较合理的、成功的。上述成果直接指导了该高速公路高陡路堑边坡处治施工整治,取得了良好的社会与经济效益。

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