高速公路改擴(kuò)建工程路塹高邊坡支護(hù)機(jī)理與效果

導(dǎo)讀●概述●工程概況●FLAC3D數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)●高邊坡不同支護(hù)方案對(duì)比●方案優(yōu)選●結(jié)語高速公路改擴(kuò)建工程路塹高邊坡支護(hù)機(jī)理與效果1、概述隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多高速公路已不能滿足日益繁重的交通量需求，因此對(duì)現(xiàn)有高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建將逐步開展。在改擴(kuò)建施工中，高邊坡路段是較大的潛在危險(xiǎn)源，其施工難度大，施工質(zhì)量不易控制，若處置不當(dāng)不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還可能引發(fā)行車安全問題。因此，中國未來高速公路改擴(kuò)建施工中高邊坡支護(hù)方案的選擇尤為關(guān)鍵。2、工程概況2.1工程簡(jiǎn)介本文以柳南高速為依托，根據(jù)通行能力和相關(guān)規(guī)范具體規(guī)定，擬采用雙向8車道標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)建。其中K1415+200斷面左側(cè)邊坡為本路段最高邊坡，原邊坡分為4級(jí)，前3級(jí)高度均為10m，第4級(jí)高度為6.26m，改擴(kuò)建前后邊坡坡率變化情況及改擴(kuò)建后邊坡實(shí)體工程如圖1所示。圖１改擴(kuò)建后的邊坡坡率及邊坡實(shí)體工程2.2地質(zhì)概況2.2.1地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造邊坡所在區(qū)域?yàn)榍鹆辏卟?0～100m。地層巖性主要為泥盆系砂巖、泥質(zhì)砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和寒武系泥質(zhì)砂巖、粉砂巖等。巖層坡向?yàn)?35°，與巖層傾向形成切向坡，對(duì)地形條件和結(jié)構(gòu)面進(jìn)行組合分析可知該開挖邊坡的整體穩(wěn)定性較差。2.2.2氣象水文條件本項(xiàng)目所處地區(qū)年平均氣溫處于20℃～23℃之間，極端高溫和低溫分別39℃和-1℃。一年中春夏兩季降雨頻繁，秋冬兩季氣候溫和干燥，利于工程施工。年降雨量1000～2800ｍｍ，年日照時(shí)數(shù)為1000～2000h，年平均蒸發(fā)量約為1700ml。2.2.3地震及區(qū)域穩(wěn)定性查閱相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可知，本項(xiàng)目所處地區(qū)設(shè)計(jì)地震分組為第1組，設(shè)計(jì)地震烈度為6度，基本地震加速度值為0.05g，屬于地震活動(dòng)較弱地區(qū)，地殼基本穩(wěn)定，地震動(dòng)反映譜特征周期為0.35s。3、FLAC3D數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)3.1FLAC3D數(shù)值模型FLAC3D提供了多種形式的基本網(wǎng)格，通過連接不同形狀的基本網(wǎng)格即可構(gòu)成一些較為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)，但由于FLAC3D在應(yīng)用中會(huì)同時(shí)生成網(wǎng)格和幾何模型，這對(duì)復(fù)雜形狀網(wǎng)格單元的連接和修改十分不利，導(dǎo)致其在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的分析中存在較大的局限性。為此，本文采用其他軟件生成三維網(wǎng)格，再將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行相關(guān)分析。由于K1415+200斷面左側(cè)邊坡為本工程中的最高邊坡，因而具備較強(qiáng)的代表性，故本文選取此邊坡所在斷面建模進(jìn)行邊坡支護(hù)效果分析，在豎直向取單位單元，模型長(zhǎng)度為100m，共劃分成344個(gè)單元和2214個(gè)節(jié)點(diǎn)。在兩側(cè)和底部分別設(shè)置水平約束和剛性約束，以固定所有節(jié)點(diǎn)水平和豎直方向的變形。本構(gòu)模型選用摩爾-庫倫模型，邊坡失穩(wěn)判據(jù)為計(jì)算得出的最大不平衡力與典型內(nèi)力的比值小于。3.2計(jì)算參數(shù)FLAC3D計(jì)算中的變形參數(shù)為體積模量Ｋ和剪切模量Ｇ，其可根據(jù)變形模量和泊松比ν計(jì)算得出。由地質(zhì)勘察報(bào)告可知，本文研究斷面左側(cè)邊坡主要由強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，見圖２。計(jì)算中所需物理力學(xué)參數(shù)見表１。圖２邊坡巖性構(gòu)成表１巖土體物理力學(xué)參數(shù)4、高邊坡不同支護(hù)方案對(duì)比使用FLAC3D分別計(jì)算原邊坡擴(kuò)建開挖前后的邊坡安全系數(shù)，原邊坡安全系數(shù)為1.31，滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30-2015）（下文簡(jiǎn)稱規(guī)范）對(duì)高速公路正常工況下邊坡安全系數(shù)不小于1.20的要求，但開挖后由于邊坡土體失去部分支撐，邊坡安全系數(shù)下降到1.15，故有必要采取相關(guān)技術(shù)措施對(duì)其進(jìn)行支護(hù)。4.1錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)邊坡安全系數(shù)影響為揭示使用錨桿進(jìn)行邊坡支護(hù)時(shí)錨桿傾角、長(zhǎng)度和間距對(duì)其使用效果的影響，以確定合理的錨桿支護(hù)組合方式。按3因素3水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，并用FLAC3D對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析以求其邊坡安全系數(shù)，結(jié)果如表2所示。表２試驗(yàn)方案及結(jié)果4.1.1不同因素對(duì)邊坡支護(hù)效果影響程度對(duì)表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，以評(píng)價(jià)3個(gè)因素對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響程度，結(jié)果見表3。表３方差分析結(jié)果由表3可知，錨桿長(zhǎng)度方差檢驗(yàn)F值約為其他2個(gè)因素的2.5倍，表明邊坡安全系數(shù)對(duì)其敏感性較強(qiáng)。同時(shí)，錨桿長(zhǎng)度方差檢驗(yàn)F值大于臨界值，表明其對(duì)邊坡安全系數(shù)有顯著影響，而錨桿傾角和錨桿間距的方差檢驗(yàn)F值均小于臨界值，且兩者相差不大，顯著性處于同一水平，均對(duì)邊坡安全系數(shù)無顯著影響。4.1.2錨桿支護(hù)方案選擇由上述正交試驗(yàn)結(jié)果可知，表2中所列9種方案的邊坡安全系數(shù)均高于1.38，符合規(guī)范中對(duì)高速公路正常工況下邊坡安全系數(shù)不小于1.20的要求。7號(hào)方案所用錨桿長(zhǎng)度最小的同時(shí)錨桿間距最大，能節(jié)約施工成本，故將其定為優(yōu)選方案。4.2抗滑樁加固邊坡效果分析抗滑樁依靠其埋入地下的部分對(duì)土體提供支撐，以保持邊坡穩(wěn)定，同時(shí)在實(shí)際工程中為更好地控制邊坡土體變形，常需要在樁身上部設(shè)置錨索。為對(duì)抗滑樁和錨索的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，本文使用FLAC3D對(duì)在原坡面施工抗滑樁（工況１）、樁前土體挖除（工況２）及錨索施工（工況３）３個(gè)不同工況下的邊坡狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。其中抗滑樁直徑和長(zhǎng)度分別為1和15ｍ，樁身混凝土彈性模量為200GPa，泊松比為0.25，樁身上部設(shè)有2排傾角為15°的錨索，其豎向間隔和長(zhǎng)度分別為3和20m，并在其上布置10個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)1?！?0＃，見圖３。圖３抗滑樁、錨索及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置4.2.1抗滑樁支護(hù)效果分析采用抗滑樁加固后邊坡安全系數(shù)的變化情況如圖４所示。圖４施工抗滑樁對(duì)邊坡安全系數(shù)影響由圖４可知：抗滑樁能較好地對(duì)邊坡土體提供側(cè)向支撐作用，２種工況下的邊坡安全系數(shù)僅相差0.7％，表明抗滑樁的埋深對(duì)土體提供了主要側(cè)向支撐，而樁前土體的挖除對(duì)其承載能力基本無影響；抗滑樁能有效提高邊坡土體的安全系數(shù)?？够瑯妒┕ね瓿刹锤臄U(kuò)建方案進(jìn)行土體挖除后，邊坡安全系數(shù)較直接開挖時(shí)提高19.1％，且其符合規(guī)范中對(duì)高速公路正常工況下邊坡安全系數(shù)不小于1.20的要求。4.2.2錨索對(duì)邊坡土體位移影響采用FLAC3D對(duì)抗滑樁及錨索施工前后的位移情況進(jìn)行分析，并求取圖3中的10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移（其中9＃和10＃這２個(gè)點(diǎn)的位置隨開挖位置的不同分別布置于斷面上原第3級(jí)邊坡坡中和坡腳處），以分析錨索對(duì)邊坡土體位移的控制作用。（１）水平位移抗滑樁錨索施工前后邊坡土體水平位移云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變化情況如圖5所示。圖５邊坡土體水平位移變化由圖5可知：２種工況下邊坡土體的水平位移均指向坡體內(nèi)側(cè)，這是由于土體受到抗滑樁的反力作用所致；邊坡土體的水平位移均隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)距坡腳高度的增加而減小，這是由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)高度較高時(shí)，土體受抗滑樁反力作用逐漸減小所致；錨索能有效減小邊坡土體的水平位移。加入錨索后，邊坡土體的最大水平位移由74.0cm下降到38.0cm，最小水平位移由36.5cm下降到19.1cm，這是由錨索對(duì)土體的約束作用造成的，表明在抗滑樁上部設(shè)置錨索能提高邊坡的穩(wěn)定性。（２）豎向位移抗滑樁錨索施工前后邊坡土體豎向位移云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化情況如圖６所示。圖６邊坡土體豎向位移變化由圖6可知：２種工況下邊坡土體的豎向位移隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)距坡腳高度的減小逐漸從負(fù)值（向下移動(dòng)）向正值（向上移動(dòng)）變化，其原因是高度較高時(shí)，土體在自重作用下發(fā)生下沉，而高度較低時(shí)則是因?yàn)榭够瑯兜淖饔檬惯吰峦馏w發(fā)生回彈所致；錨索能有效降低邊坡土體的豎向位移及其變化速率。加入錨索后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)２＃的豎向位移由33.5cm降低到17.6cm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)10＃則由18.0cm降低到9.3cm。（３）錨索對(duì)邊坡內(nèi)部受力影響分別用FLAC3D對(duì)工況２、工況3的應(yīng)變?cè)隽窟M(jìn)行分析，結(jié)果如下頁圖7所示。由圖7可知：２種工況下邊坡土體剪應(yīng)變?cè)隽康淖畲笾稻霈F(xiàn)在同一區(qū)域，但加入錨索后其值降低為原來的1/2，滑動(dòng)趨勢(shì)也有所緩解；錨索對(duì)抗滑樁加固邊坡土體的應(yīng)力基本無影響。２種工況下邊坡土體內(nèi)部均為壓應(yīng)力，僅在邊坡表層出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中拉壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在同一位置，且相差不大，兩者的區(qū)別僅在于錨索附近的土體受力略有不同。圖７邊坡內(nèi)部剪應(yīng)變?cè)隽孔兓闆r4方案優(yōu)選（１）支護(hù)效果分析使用錨桿和抗滑樁進(jìn)行支護(hù)后的邊坡安全系數(shù)分別提高到1.39和1.37，均能較好地保證其穩(wěn)定性。從邊坡支護(hù)效果來看，兩者差別不大。（２）施工難度分析采用錨桿加固時(shí)施工機(jī)械設(shè)備所需工作空間較小，能較好地適應(yīng)施工區(qū)地形條件的變化，同時(shí)錨桿的鉆孔位置、傾角、間距在施工中均可參照具體情況進(jìn)行調(diào)整，且施工工藝較為簡(jiǎn)單，有較為成熟的施工經(jīng)驗(yàn)可以參考。采用抗滑樁加固邊坡時(shí)施工工藝也較為簡(jiǎn)單，但坡腳開挖及樁身澆筑均有嚴(yán)格要求，否則容易造成質(zhì)量問題，如樁身澆筑時(shí)混夾泥土容易造成樁身斷裂，混凝土配合比控制不嚴(yán)時(shí)則容易造成離析現(xiàn)象，這些均會(huì)對(duì)其支護(hù)效果甚至是安全性能造成影響。因此，就施工難度而言，錨桿加固支護(hù)方案更具優(yōu)勢(shì)。（３）經(jīng)濟(jì)性分析采用錨桿加固時(shí)主要支出為土方開挖與運(yùn)輸、基本材料購置、機(jī)械使用、錨桿鉆孔、注漿、澆筑混凝土骨架、坡面綠化及人工費(fèi)等；經(jīng)過粗略計(jì)算，本實(shí)施方案在200m長(zhǎng)的邊坡加固工程中的花費(fèi)約為16萬元。采用抗滑樁加固時(shí)，主要支出則來源于土方的開挖與運(yùn)輸、基本材料購置、機(jī)械使用、鋼筋籠制作安裝、壁面輔助支護(hù)及邊坡綠化等費(fèi)用，綜合計(jì)算后其處治同樣長(zhǎng)度邊坡的施工費(fèi)用約為55萬元。顯然采用錨桿加固方案更為經(jīng)濟(jì)合理。5結(jié)語（１）采用FLAC3D對(duì)本改擴(kuò)建工程高36.26m的邊坡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)設(shè)置錨桿傾角和在有效錨固深度范圍內(nèi)增加錨桿長(zhǎng)度均能提高邊坡安全系數(shù)，而增大錨桿間距則使邊坡安全系數(shù)降低，且當(dāng)其間距大于4m后敏感性增強(qiáng)；邊坡安全系數(shù)對(duì)錨桿長(zhǎng)度的敏感性明顯大于錨桿傾角和錨桿間距，約為后兩者的2.5倍；選用錨桿傾角為20°，長(zhǎng)度為6m，間距為4m進(jìn)行組合對(duì)本項(xiàng)目邊坡進(jìn)行支護(hù)時(shí)能取得較好效果。（２）采用抗滑樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)其埋深對(duì)土體提供主要側(cè)向支撐，能有效提高邊坡安全系數(shù)，但位移相對(duì)較大，此外在改擴(kuò)建工程中挖除樁前土體對(duì)邊坡安全系數(shù)影響較?。?/p>