锚杆布设方式对高速公路路堑边坡稳定性的影响

2016-04-20许宇明胡庆国

公路与汽运 2016年2期

关键词：锚杆稳定性公路

许宇明,胡庆国

(1.湖南省武靖高速公路建设开发有限公司,湖南武冈 422400; 2.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004)

锚杆布设方式对高速公路路堑边坡稳定性的影响

许宇明1,胡庆国2

(1.湖南省武靖高速公路建设开发有限公司,湖南武冈 422400; 2.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙 410004)

摘要:为分析锚杆长度、倾角对锚杆支护边坡稳定性的影响,以武靖(武冈—靖州)高速公路某路堑边坡为例,采用极限平衡法对锚杆支护边坡稳定性进行计算分析。研究结果表明,锚杆支护边坡存在最佳锚杆长度,锚杆长度达到最佳长度之前边坡稳定性随锚杆长度增加显著增长,超过最佳长度后边坡稳定性不再大幅提高;边坡锚固支护存在最佳锚固倾角,锚杆倾角达到最佳倾角之前边坡稳定性随着锚固倾角的减小而增强,达到最佳倾角之后边坡稳定性开始下降。

关键词:公路;锚杆;路堑边坡;稳定性

随着公路建设的进行,大量边坡问题逐渐显现。目前公路工程边坡通常采用护坡桩+锚杆的支护体系。锚杆支护是将锚杆置于地层中,通过灌浆、施加预应力等技术处理,使它能承受拉力的工程手段,是综合性、多样性和边缘性较强的工程技术,涉及地质勘查、岩土力学及钢筋砼结构等多个领域。林杭等研究了边坡锚固及锚杆荷载传递机理,得出了锚固长度的变化与边坡安全系数、边坡潜在危险滑动面及锚杆轴力分布的关系。黄晨等研究了锚杆支护参数如锚杆长度、倾角、间距等对边坡稳定性的影响,通过极限平衡方法建立边坡模型,模拟边坡全注浆锚杆的加固效应,得到边坡安全系数与锚杆长度、倾角及间距之间的关系。朱欣荣等通过数值模拟计算,利用回归方程分析得到了边坡安全系数与锚杆倾角、间距、布置位置的定量关系。何立志通过研究锚杆施加的预应力在潜在危险面上产生的预加应力,推演出对应的附加应力与边坡安全系数的计算公式,为使用预应力锚杆边坡的稳定性分析提供了便利。王发玲等通过研究顺层岩质边坡的锚杆锚固机理,得到锚杆在挠曲变形段内应力和变形沿节理呈反对称分布;在模拟滑动面上,当锚杆处于弹性小变形阶段时,锚杆的锚固作用是由锚杆轴力及抗剪力共同作用的,并且两者之间存在线性关系。

为进一步确定边坡锚杆长度与锚杆角度对边坡稳定性的影响,该文对湖南省武靖(武冈—靖州)高速公路第八合同段CBK0+360—CBK11+835段右侧高边坡进行二维锚杆支护分析,为锚杆支护机理的深入研究及同类型边坡的锚杆支护设计提供参考。

1 边坡工程概况

二维分析选取CBK7+520右侧高边坡路基横断面。从地形、地貌角度分析,该路堑边坡段属于低山丘陵地貌,地形起伏变化较大,山体自然坡度较陡,为40°～50°;边坡表面植被较发育,局部有基岩裸露,边坡上方地表有一定的汇水面。从岩土层状态来讲,该路堑边坡地层主要为粉质黏土、强风化泥灰岩及中风化泥灰岩,岩层产状为300°∠60°,地下水并不发育。根据勘测数据,该边坡主要组成为强风化泥灰岩和中风化泥岩,岩层倾向与边坡反向,有利于中风化泥灰岩层的稳定。为降低边坡失稳风险,在三、四级边坡设置锚杆方形格梁进行浅层加固,在一、二及五级边坡设置拱形骨架植草支护。

2 锚杆加固机理

采用锚杆对边坡进行加固,当其穿过潜在滑动面深入深部土体后,可有效阻止坡体位移,这是挡土墙、抗滑桩等一般支挡结构物无法达到的力学效果。因此,锚杆可提高边坡潜在滑移面的抗剪强度,为边坡潜在滑动体提供足够的抗滑能力。在土质边坡中,边坡设置锚杆后仍可采用条分法进行滑动体受力分析,其安全系数可采用条分法公式计算[见式(1)]。式(1)中作用力的方向及作用点见图1。式中:f为滑动面上的摩擦系数;Ni为作用在第i条滑动面上的法向力;PN为锚杆锚固力沿滑动面法向的分力;ci为第i条滑动面上的粘聚力;Li为第i条滑动面的长度;Ti为作用在第i条滑动面上的切向力;PT为锚杆锚固力沿滑动面切向的分力。

图1 锚固边坡的受力分析

3 数值建模

采用Geostudio岩土工程有限元计算软件对该边坡进行数值建模分析。模型尺寸与网格划分见图2。边坡总高50 m,根据设计要求设置5级边坡,每级边坡高均为10 m。由于一、二、三级边坡所处位置主要为中风化泥岩,稳定性较好,坡度设计为1∶0.75;四、五级边坡处多为强风化泥岩,稳定性较差,坡度设计为1∶1。同时考虑有限元软件的计算效率与计算精度,网格不能过细或过粗,将模型划分为2 147个节点、2 088个单元,每个单元边长1 m。模型右侧与底部设置为四边形单元,在边坡坡面倾斜处存在部分三角形单元。初始边界条件设置为底部固定X、Y方向边界,右侧设定为固定X方向边界。边坡土质参数参照勘测所得值确定(见表1)。

图2 边坡有限元计算模型

4 计算与分析

4.1 未支护状态下的边坡稳定性

首先采用Slope计算模块对未支护状态下的边坡稳定性进行计算,设定拟发生滑坡方向为从右向左,计算过程中自动搜寻可能出现的边坡滑动面,共搜寻2 000次,取安全系数最小的滑动面作为潜在滑动面,搜寻完成后对潜在滑动面进行优化,得到边坡的安全系数。边坡潜在滑动面见图3。

表1 边坡的土质参数

该边坡开挖后未支护状态下的稳定性为1.12,处于较不稳定状态,这是由于其坡度较陡,且没有支护措施,边坡上部主要为碎石土,边坡整体以中风化砂质泥岩为主,土体在重力作用下极易发生滑移。

4.2 锚杆支护状态下的边坡稳定性

根据上述计算结果,该边坡潜在滑动面主要处于边坡中部,应对三、四级边坡采取锚杆支护手段。锚杆的长度、间距及角度等均会对边坡稳定性产生影响,根据设计资料,确定锚杆布置间距,并调整不同布置长度与角度,分析边坡稳定性变化趋势。每级边坡布设4根锚杆,间距均为2 m,最上部锚杆距离上部边坡平台2 m,最下部锚杆距离下部边坡平台2 m,共布置8跟锚杆。锚杆参数见表2,边坡锚杆布置见图4。

表2 锚杆参数

图4 不同锚杆长度支护边坡

从边坡的受力状态分析,锚杆的加固机理是为其所穿过的土条底部提供抗剪强度,提高所加固土条抵抗上部土体下滑的能力。因此,锚杆须打入支护边坡潜在滑动面的内部,贯穿滑动体,才能起到相应支护效果。下面采用Slope模块对锚杆与边坡潜在滑动面位置的关系及边坡稳定性进行计算分析。

4.2.1 锚杆长度对边坡稳定性的影响

图4显示了不同长度锚杆对边坡稳定性的加固效果。从图4(a)～(c)可看出:采用6 m锚杆对边坡进行支护时边坡滑动面向内移动,边坡稳定性增大到1.21,边坡处于临界稳定状态。当锚杆长度达到9 m时,边坡稳定性提高至1.31,边坡处于稳定状态。当锚杆长度采用12 m时,边坡稳定性达到1.38。根据工程经验,一般应将边坡安全系数提高至1.4左右,以保证边坡的稳定和在强降雨等极端天气下不发生失稳现象。因此,可使用12 m锚杆进行边坡支护。

为分析边坡锚杆最佳支护长度,计算15 m长锚杆支护下的边坡稳定性。从图4(d)来看,采用15 m长锚杆支护后,边坡安全系数为1.40。边坡安全系数随锚杆长度的变化趋势见图5。