雜填土邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固方案對比分析

陳 丹，高 健，池麗敏

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院責(zé)任有限公司，江蘇 南京 210006）

雜填土邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固方案對比分析

陳 丹，高 健，池麗敏

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院責(zé)任有限公司，江蘇 南京 210006）

雜填土邊坡在堆積之后不采取必要的加固措施，很容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。預(yù)應(yīng)力錨索作為一種新型的邊坡支護(hù)手段，在邊坡加固邊坡取的較好效果。以預(yù)應(yīng)力錨索的錨固傾角為控制對象，借助二維有限元軟件，對采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的雜填土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：在地下水位埋藏較深、高地下水位、降雨入滲以及地震情況四種工況下，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先是增大，然后開始減小。綜合分析考慮多種工況下的計算結(jié)果，當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索錨固傾角在26°左右時，加固后的邊坡安全系數(shù)相對較大，加固效果相對較好，為后期工程設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

雜填土；邊坡；預(yù)應(yīng)力錨索；安全系數(shù)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)科技技術(shù)水平的提升，我國的城市建設(shè)也取得了巨大的進(jìn)步。與此同時，城市中各類工程的大拆大建，也使得雜土等建筑垃圾日益增多。然而，城市中及城郊位置可以存放雜土的地域有限，回收處理或者運(yùn)送到偏遠(yuǎn)的農(nóng)村等地則成本較高。因此，很多雜土多選擇就近依靠山坡或者凹地等直接堆填處理。任意堆填的雜填土往往不經(jīng)壓實(shí)處理，大多具有堆積高度較高、坡度較陡、土體壓實(shí)強(qiáng)度不足、抗剪強(qiáng)度低、土質(zhì)松軟且土層分布不均勻等一系列的特點(diǎn)。雜填土的高邊坡，如果在堆積之后不采取必要的加固措施，很容易產(chǎn)生局部坍塌、滑坡或者伴隨降雨產(chǎn)生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。

因此，很有必要結(jié)合雜填土邊坡的特點(diǎn)采取必要的加固措施，以增加邊坡的穩(wěn)定性和安全性。預(yù)應(yīng)力錨索作為一種新型的邊坡基坑支護(hù)手段，在國內(nèi)外眾多水利及巖土工程中取的較好的效果[4-8]，其主要是通過外加預(yù)應(yīng)力的方法，將邊坡表面的滑動體錨固在基巖上，以此達(dá)到加固邊坡的目的。預(yù)應(yīng)力錨索的傾角是錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個主要參數(shù)，由于傾向的角度直接決定了預(yù)應(yīng)力的施加方向，因此，錨索不同的傾角將會產(chǎn)生不同的加固效果。為了使錨索達(dá)到最優(yōu)的加固效果，本文結(jié)合雜填土邊坡加固工程，借助數(shù)值模擬的手段進(jìn)行了研究分析。

1 工程概況及加固方案

1.1 工程概況及地質(zhì)情況

本文所研究工程為位于北京市某山山麓的一雜填土填埋場，該場地由于地處山腳的隱蔽位置，常年疏于管理，逐漸演變成為了當(dāng)體的雜土填埋場，經(jīng)過一年多的堆積，填土高度已超過20余米。雜土堆填前后邊坡的情況如圖中所示，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)雜填土表層的土體相對比較松軟，堆填之后未采取任何加固措施，且雜土堆填之后沒有經(jīng)過壓實(shí)，整個邊坡穩(wěn)定情況堪憂，亟需進(jìn)行加固處理。

經(jīng)過地質(zhì)勘測，給出了該處典型的地質(zhì)斷面見圖1，其中層①為后期的雜填土，一般較為松散，極不均勻，主要為工地棄土；以沉積巖塊為主，粒徑差異很大，一般粒徑2～20 cm，最大粒徑大于100 cm；含部分粘性土，局部含少量磚雜、灰雜等，表層壓實(shí)度極低；層②為褐黃色，很濕，可塑，含少量云母、氧化鐵等，分布不均；層③為灰黃，巖芯較完整，呈短柱狀，采取率約60%～85%。

圖1 典型地質(zhì)勘測斷面圖

1.2 加固方案及分析工況

結(jié)合典型地質(zhì)斷面的工程地質(zhì)情況，并參考類似項(xiàng)目的處理方法，該工程擬采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行雜填土邊坡的后期加固處理。具體方案是首先將雜填土表面固結(jié)未完成的覆土，按照∶2的邊坡進(jìn)行清除，然后，在新鮮的開挖面上，利用預(yù)應(yīng)力錨索外加混凝土格構(gòu)梁的型式進(jìn)行加固。結(jié)合地質(zhì)斷面情況，本工程中擬采用預(yù)應(yīng)力錨索總長25 m，其中自由段長20 m，錨固段長5 m，錨索按照7m的間距呈梅花形布置。

針對預(yù)應(yīng)力錨索錨固角度問題，規(guī)范中建議錨固角度一般在15°～30°范圍內(nèi)，為了探究預(yù)應(yīng)力錨索不同傾角對邊坡加固效果的影響，本文設(shè)置了傾角18°、22°、26°和30°四種不同的預(yù)應(yīng)力錨索加固方案。由于該工程地處Ⅶ度地震區(qū)，且地下水位埋藏較深，結(jié)合工程現(xiàn)狀，主要計算分析四種工況下邊坡穩(wěn)定性：（1）地下水位埋藏較深的情況，（2）地下水位平地面的情況，（3）降雨入滲的情況，（4）地震的情況。

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型及材料參數(shù)

由雜土邊坡典型地質(zhì)斷面可知，經(jīng)過清理之后，邊坡高度為23.70 m，邊坡坡度為1∶2，破內(nèi)基巖巖面線深約11.00 m，結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索加固方案，利用有限元軟件建立了雜土邊坡的二維模型見圖2。計算模型中，土體材料大致劃分為兩層，基巖面上部土體大都為后期的雜填土，基巖下部為邊坡原始的基巖。為了便于計算分析邊坡的穩(wěn)定性，土體材料模型采用傳統(tǒng)的摩爾—庫倫模型，各層土體的材料參數(shù)見表1。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索加固設(shè)計斷面圖

表1 計算主要材料參數(shù)表

2.2 邊界條件

計算過程中，考慮邊坡的實(shí)際情況，在模型的底部設(shè)置豎直向的固定約束，在模型的左側(cè)設(shè)置水平向的固定約束。同時，針對降條件下的計算工況，充分考慮了邊坡在降雨過程中的滲流情況，在模型頂部施加了降雨強(qiáng)度的邊界條件，并且考慮了持續(xù)時長為3 h的強(qiáng)降雨過程；此外，在地震工況下邊坡穩(wěn)定性分析時，設(shè)置地震水平向基本加速度值為0.20 g。

3 計算結(jié)果對比分析

借助有限元軟件，對上述四種不同工況下多種預(yù)應(yīng)力錨索錨固角度的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計算，并就四種工況分析進(jìn)行了討論分析。

3.1 地下水埋藏較深情況

通過數(shù)據(jù)處理，可以得到地下水位埋藏較深的情況下，不采取加固措施（見圖3），以及預(yù)應(yīng)力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數(shù)值及最危險滑動斷面情況見圖4。由圖中數(shù)據(jù)可知，在地下水位埋深較深的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數(shù)僅為0.69，遠(yuǎn)小于規(guī)范中針對邊坡安全系數(shù)的最小限值1.20。

圖3 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖4 18°～30°預(yù)應(yīng)力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當(dāng)用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固之后，邊坡安全系數(shù)得到明顯的提升，預(yù)應(yīng)力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.509、1.642、1.673、1.602。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數(shù)存在一定的差異，差異值在0.164左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先是增大，然后開始減小。錨固傾角在26°左右時，邊坡安全系數(shù)最大為1.673，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數(shù)最小為1.509。

3.2 高地下水位情況

通過數(shù)據(jù)處理，可以得到搞地下水位的情況下，不采取加固措施（見圖5），以及預(yù)應(yīng)力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數(shù)值及最危險滑動斷面情況見圖6。由圖中數(shù)據(jù)可知，在高地下水位的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數(shù)僅為0.687，遠(yuǎn)小于規(guī)范中針對邊坡安全系數(shù)的最小限值1.20。

圖5 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖6 18°～30°預(yù)應(yīng)力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當(dāng)用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固之后，邊坡安全系數(shù)得到明顯的提升，預(yù)應(yīng)力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.549、1.628、1.700、1.591。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數(shù)存在一定的差異，差異值在0.151左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先是增大，然后開始減小。錨固傾角在26°左右時，邊坡安全系數(shù)最大為1.700，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數(shù)最小為1.549。

3.3 降雨入滲情況

通過數(shù)據(jù)處理，可以得到搞地下水位的情況下，不采取加固措施（見圖7），以及預(yù)應(yīng)力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數(shù)值及最危險滑動斷面情況見圖8。由圖中數(shù)據(jù)可知，在高地下水位的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數(shù)僅為0.590，遠(yuǎn)小于規(guī)范中針對邊坡安全系數(shù)的最小限值1.20。

圖7 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖8 18°～30°預(yù)應(yīng)力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當(dāng)用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固之后，邊坡安全系數(shù)得到明顯的提升，預(yù)應(yīng)力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.673、1.846、1.817、1.783。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數(shù)存在一定的差異，差異值在0.173左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先是增大，然后開始減小。錨固傾角在22°左右時，邊坡安全系數(shù)最大為1.846，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數(shù)最小為1.673。

3.4 地震情況

通過數(shù)據(jù)處理，可以得到搞地下水位的情況下，不采取加固措施（見圖9），以及預(yù)應(yīng)力錨索錨固角度分別為18°、22°、26°、30°時，加固后的邊坡安全系數(shù)值及最危險滑動斷面情況見圖10。由圖中數(shù)據(jù)可知，在高地下水位的情況，不采取加固措施時邊坡的安全系數(shù)僅為0.422，遠(yuǎn)小于規(guī)范中針對邊坡安全系數(shù)的最小限值1.00。

圖9 無加固措施最危險滑弧示意圖

圖10 18°～30°預(yù)應(yīng)力錨索加固后最危險滑弧示意圖

當(dāng)用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固之后，邊坡安全系數(shù)得到明顯的提升，預(yù)應(yīng)力錨索傾角為18°、22°、26°、30°時所對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為0.793、0.815、0.830、0.825。由此可知，地下水埋藏較深情況時，不同錨固角度下雜土邊坡的安全系數(shù)存在一定的差異，差異值在0.037左右，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先是增大，然后開始減小。錨固傾角在26°左右時，邊坡安全系數(shù)最大為0.830，錨固傾角在18°左右時，邊坡安全系數(shù)最小為0.793。

4 結(jié)論

雜填土邊坡具有壓實(shí)強(qiáng)度不足、抗剪強(qiáng)度低、土層分布不均勻等一系列的特點(diǎn)，如果在堆積之后不采取必要的加固措施，很容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。預(yù)應(yīng)力錨索作為一種新型的邊坡支護(hù)手段，在邊坡加固邊坡取的較好效果。本文以預(yù)應(yīng)力錨索的錨固傾角為控制對象，借助二維有限元軟件，對采用預(yù)應(yīng)力錨索加固的雜填土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：在地下水位埋藏較深、高地下水位、降雨入滲以及地震情況四種工況下，不同錨固角度的邊坡的安全系數(shù)存在一定的差異，伴隨著錨固傾角的增大，邊坡安全系數(shù)先是增大，然后開始減小。綜合分析考慮多種工況下的計算結(jié)果，當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨索錨固傾角在26°左右時，加固后的邊坡安全系數(shù)相對較大，加固效果相對較好，為后期工程設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

[1]唐朝暉,柴波,劉忠臣,等.填土邊坡穩(wěn)定性的可靠度分析[J].地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報),2013(3)：616-624.

[2]鄭志輝,賀若蘭,徐勛長,等.復(fù)合土釘支護(hù)厚雜填土邊坡現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005(5)：898-904.

[3]趙春宏,戴福初.深圳某填土滑坡破壞機(jī)理研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2007(2)：1-8.

[4]李寧,張鵬,于沖.邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固的數(shù)值模擬方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007(2)：254-261.

[5]丁秀麗,盛謙,韓軍,等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固機(jī)理的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002(7)：980-988.

[6]李英勇,張頂立,王松根.預(yù)應(yīng)力錨索錨固作用機(jī)理的數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué),2006(S2)：921-925.

[7]邵勇,覃仁輝.預(yù)應(yīng)力錨索框架梁邊坡支護(hù)數(shù)值模擬[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報,2010(3)：307-310.

[8]閆毅志,張燎軍,楊具瑞,等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固效果的三維數(shù)值模擬研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2008(11)：62-65.

U417.1

B

1009-7716（2016）05-0134-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.037

2016-01-18

陳丹（1983-），女，江蘇靖江人，工程師，從事水工、水運(yùn)工程設(shè)計工作。