彭富強,袁昕,袁航
(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院巖土工程材料研究所,湖南長沙410132;2.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南永順416700)
邊坡指地殼表部一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體,是坡面、坡頂及其下部一定深度坡體的總稱。近年來,由于邊坡巖土工程地質(zhì)的復(fù)雜性,單一的坡面防護形式難以滿足設(shè)計需要,因此,要針對巖性大致相同的路基邊坡進行專題研究,其中炭質(zhì)泥巖就是比較復(fù)雜而又典型的工程地質(zhì),其邊坡防治需進行專題研究。目前,針對炭質(zhì)泥巖這一特殊工程地質(zhì)條件的邊坡防護研究較少,只是就單一工程項目的炭質(zhì)泥巖邊坡進行一定研究[1-3]。本文以婁新高速為依托,研究婁底炭質(zhì)泥巖邊坡的巖土特性及工程特性,根據(jù)炭質(zhì)泥巖邊坡穩(wěn)定性的主要因素和邊坡變形破壞模式,研究不同的炭質(zhì)泥巖邊坡的防治技術(shù)[4-6]。對婁新高速 K22+200~K22+400路段右側(cè)的典型炭質(zhì)泥巖夾層邊坡進行穩(wěn)定性分析,并找出適合該邊坡的防護措施。
婁新高速公路K22+200~K22+400段右側(cè)邊坡,為一路塹高邊坡(見圖1),在2010年5月高速公路切坡之后,由于未及時支護,并且未進行相應(yīng)的地質(zhì)勘察,發(fā)生了幾次比較大的滑坡,后緣和滑坡體表層張性裂縫發(fā)育較嚴(yán)重。
依據(jù)后續(xù)工程地質(zhì)勘探及調(diào)查訪問,該邊坡下伏巖層為強風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,該泥巖具有遇水后軟化、粘聚力大大降低的性質(zhì),從而導(dǎo)致邊坡在幾次暴雨后發(fā)生深層滑坡,且仍存在向下蠕滑趨勢,很可能加速發(fā)展,甚至再次發(fā)生整體下滑。
圖1 婁新高速公路K22+200-K22+400段右側(cè)滑坡全貌Fig.1 Landslide on the right side of k22+200—K22+400 Lou-Xin expressway
根據(jù)2次地質(zhì)勘察成果,邊坡地層巖性自上而下分別為:
(1)第四系殘積土;
(2)全風(fēng)化泥灰?guī)r夾碳質(zhì)泥灰?guī)r(C2h),厚度為1.40~8.40 m,平均揭露厚度為 3.83 m;
(3)中風(fēng)化泥灰?guī)r(C2h):?。泻窠Y(jié)構(gòu),呈夾層局部互層產(chǎn)出,巖質(zhì)較軟,裂隙較發(fā)育,巖質(zhì)較堅硬,巖芯較完整,巖芯表面無溶蝕裂縫現(xiàn)象;
(4)地層產(chǎn)狀為250°∠59°,與路面斜交,總體上對邊坡有利。
(1)采用臺階式邊坡,加固原則以穩(wěn)定為本,加固為主,排水、防護并重,一次根治、不留隱患綜合治理,保證施工過程安全和通車后長期穩(wěn)定。
(2)削坡、減載條件下能確保邊坡穩(wěn)定時,優(yōu)先考慮采用坡率法和減載法結(jié)合處理邊坡,但存在土體順著土巖分界面滑動的可能時,必須考慮坡腳增設(shè)抗滑措施,消坡和減載作為輔助措施使用。
(3)根據(jù)邊坡高度、下滑推力或者土壓力、剪切破壞力的大小,選用坡腳加固措施,當(dāng)設(shè)置坡腳抗滑樁時,樁間措施按地質(zhì)、地形及水文條件綜合考慮灌漿、擋土墻、樁板墻等穩(wěn)固措施[7-8]。
結(jié)合本工程工點,考慮到邊坡較高,坡面殘積土較深厚,且下伏炭質(zhì)泥巖遇水軟化,且發(fā)生幾次大的滑坡,可知土體易發(fā)生深層滑動,故清方和減載不能完全根治邊坡的穩(wěn)定,擬采取以下措施綜合治理該邊坡:“錨桿+抗滑樁+灌漿”。
(1)為節(jié)省工程投資,采用清方減載、放緩破率的方案,樁后土體實行清方卸載措施,每6 m高度分級刷坡,坡率放緩一級,采用1:1.75。
(2)由于邊坡上覆土層為殘積膨脹土,遇水后膨脹,在重力的作用下易發(fā)生表層滑坡,因此,采用深層錨桿對邊坡表層進行加固,錨桿的設(shè)計長度為錨固端深入邊坡內(nèi)部穩(wěn)定持力層2~3 m內(nèi)為止。
(3)為防止邊坡發(fā)生深層滑動,在坡腳布置一排尺寸為2 m×1.5 m、間距為2 m,深度為15 m的抗滑樁,樁端深入持力層,抗滑樁懸臂最大高度不超過8.0 m。
(4)為防止炭質(zhì)泥巖遇水后軟化,粘聚力降低導(dǎo)致邊坡承載力不足發(fā)生深層滑移,故采用灌注水泥漿改良邊坡下層炭質(zhì)泥巖軟弱夾層,在抗滑樁前面布置五排灌漿孔,灌漿孔間距1.5 m,采用梅花式布孔,灌注水泥漿液,形成復(fù)合地基共同抵抗邊坡下滑推力。
采用工程實例中邊坡加固設(shè)計方案為模型基礎(chǔ)進行有限元數(shù)值分析,按照坡腳設(shè)抗滑樁、坡面設(shè)錨桿框架梁進行加固后的情況建立有限元模型。以典型斷面K22+360邊坡加固設(shè)計剖面為基礎(chǔ)建立二維模型,其模型如圖2所示。
圖2 模型幾何形狀圖Fig.2 The geometry figure of model
表1 模型的材料參數(shù)Table 1 The Material parameters of model
模型底邊是基巖面采用完全約束,左右邊界采用水平向約束,樁端采用自由約束。錨桿結(jié)構(gòu)采用平面梁單元,其他結(jié)構(gòu)采用平面四節(jié)點四邊形減縮性積分單元(CPE4R),采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù),網(wǎng)絡(luò)劃分見圖 3[9]。
圖3 模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The network structure of model
本次數(shù)值模擬采用的是Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,它比較適用于計算地基極限承載力,在巖土工程中應(yīng)用非常廣泛,Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則表達式:
以主應(yīng)力表示屈服條件為
以不變量可表示為
式中:-π/6≤θσ≤π/6。
由莫爾應(yīng)力圓可知:
由上可知,按Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則求得的臨界抗剪強度(τ)要小于最大剪應(yīng)力破壞時的抗剪強度(τmax),Mohr-Coulomb準(zhǔn)則較 Tresca屈服準(zhǔn)則先進入屈服階段。
由于巖土材料屬于粒狀體材料,主要依靠顆粒間的摩擦承受荷載,其變形和破壞受摩擦的影響,由剪應(yīng)力與垂直應(yīng)力的共同作用使粒子間克服摩擦產(chǎn)生相對滑移破壞,因此,Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則對巖土體較實用。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則破裂面與滑移線的關(guān)系見圖4。
圖4 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則破裂面與滑移線的關(guān)系Fig.4 Relations between failure surface and slip curves of Mohr-Coulomb yield criterion
3.3.1 土體變形分析
總位移云圖和總位移矢量圖分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出:加固后土層的滑動范圍較小,整體穩(wěn)定性滿足要求,土體沒有形成滑動面,最大位移發(fā)生在坡頂處約為9 cm。
圖5 總位移云圖Fig.5 The contours of total displacement
圖6 總位移矢量圖Fig.6 The vector of total displacement
圖7 水平位移云圖Fig.7 The contours of horizontal displacement
水平位移總圖見圖7。由圖7可以看出:在水平方向,土體沒有形成滑動面,也未形成貫穿的剪切破壞面,第二級邊坡的位移較大,最大位移發(fā)生在二級邊坡上部約為4.5 cm。
圖8 豎直位移云圖Fig.8 The contours of vertical displacement
垂直位移云圖見圖8。由圖8可以看出:在豎直方向自重應(yīng)力的作用下,大部分巖體和樁在豎直方向的位移為0 cm,滿足地應(yīng)力平衡后的狀態(tài),土體位移較大處發(fā)生在坡頂?shù)娜遣课?,最大位移為?0 mm(以豎直向上為正方向)。
圖9 土體進入塑性區(qū)圖Fig.9 The figure of soil into the plastic
土體進入塑性區(qū)圖見圖9。由圖9可以看出:土體進入塑性區(qū)的范圍集中在坡頂處,主要是重力作用引起的,未發(fā)生貫穿樁體和錨桿的塑性區(qū),說明邊坡整體穩(wěn)定性良好,滿足設(shè)計要求。
3.3.2 樁體變形圖
圖10 樁體位移云圖與位移矢量圖Fig.10 The displacement contours and displacement vector of the pile
樁體位移云圖與位移矢量圖見圖10。由圖10可以看出:樁頂最大位移為18 mm,錨固段與懸臂端分界處位移為7 mm,樁承受的最大總應(yīng)力是2 MPa,這與理論計算在考慮1.15的安全儲備后,樁頂最大位移為26 mm,分界處位移8 mm相差不大,滿足抗滑樁樁頂位移不大于8 cm以外,錨固段與懸臂段分界處水平位移不宜大于10 mm,且側(cè)壁應(yīng)力不應(yīng)大于地層的橫向容許承載力的要求。
根據(jù)圖3模型,坡腳設(shè)抗滑樁、坡面設(shè)錨桿加固后,按照ABAQUS中強度折減的實現(xiàn)方法,將土的和進行折減(場變量為1,折減系數(shù)0.5≤≤3),各材料參數(shù)除c和φ按照場變量線性變化外,其余參數(shù)嚴(yán)格按照表1取值,分析增加折減步驟(reduce)共3步,模型計算完成后進行結(jié)果分析。
圖11 邊坡特征點位移U1隨折減系數(shù)FV1的變化關(guān)系Fig.11 The relationship of the slope feature points displacement U1between with reduction factor FV1
圖12 邊坡特征點Fig.12 The slope feature points
從圖11所示的位移拐點的變化可以清楚判斷得出的安全系數(shù)Fs=1.6。通過在坡體內(nèi)布置特征點,可發(fā)現(xiàn)這些點的位移隨折減系數(shù)的增大而存在突變現(xiàn)象,當(dāng)邊坡折減系數(shù)達到1.6的時候,特征點7,8,10和12的位移明顯發(fā)生突變,因而以此作為失穩(wěn)判據(jù),判斷邊坡失穩(wěn)的過程。邊坡特征見圖12。
根據(jù)邊坡滑坡情況,在邊坡上共布設(shè)了12個監(jiān)測點,監(jiān)測點位置位于邊坡位移特征點(圖12),觀測精度按二級中等精度要求,每次測量前對全站儀進行檢驗,監(jiān)測位移變化與有限元數(shù)值分析計算結(jié)果對比如圖13所示。
圖13 特征點1的累計水平位移值隨時間變化曲線Fig.13 The Curve of accumulated horizontal displacement value of the feature points 1 versus time
圖14 特征點2的累計水平位移值隨時間變化曲線Fig.14 The Curve of accumulated horizontal displacement value of the feature points 2 versus time
特征點2的累計水平位移值隨時間變化曲線見圖14。通過1個半月的持續(xù)監(jiān)測,在施工過程中,邊坡表層位移變化較大,在施工結(jié)束以后,邊坡表層位移隨時間逐漸減小,邊坡變形得到了控制,達到了加固的效果。同時,通過對比有限元分析結(jié)果中特征點累計水平位移與實際位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),有限元分析結(jié)果的規(guī)律基本上與實際位移一致,驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。
(1)采用“錨桿+抗滑樁+灌漿”對婁新高速公路K22+200~K22+400段右側(cè)炭質(zhì)泥巖夾層邊坡進行加固治理,通過治理后的監(jiān)測結(jié)果表面,該治理方案能達到很好的加固效果,可以為其他類似工程提供借鑒。
(2)采用ABAQUS有限元分析軟件對邊坡加固措施的可靠性進行分析,通過坡體與樁的各種位移云圖可以發(fā)現(xiàn)該治理措施能有效地遏制邊坡的下滑趨勢,并且依據(jù)邊坡特征點的位移監(jiān)測,可以判斷出該邊坡加固后的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6。
(3)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,采用“錨桿+抗滑樁+灌漿”加固邊坡后,邊坡的位移逐漸減小,未發(fā)生失穩(wěn)或大滑移現(xiàn)象。通過對比有限元分析特征點的位移監(jiān)測與邊坡實際位移監(jiān)測值,驗證了有限元分析結(jié)果的可靠性。
(4)由于巖土是一種非常復(fù)雜的材料,單純的理論計算和實驗分析常常難以準(zhǔn)確的解決實際問題,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況和土質(zhì)特征,借鑒類似經(jīng)驗,綜合考慮選取合適的處理方案。
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