某均質(zhì)巖層邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固穩(wěn)定性分析

牟 丹

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

在邊坡治理工程中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索來加固邊坡，錨索可以在地層中產(chǎn)生張拉應(yīng)力，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的效果。在錨索施加較高預(yù)應(yīng)力的過程中，對欲加固的基層巖土穩(wěn)定性具有較高的要求[1]。在具有較強穩(wěn)定性的基層巖土上施加預(yù)應(yīng)力錨索可以有效地保證其穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的密實度。施加預(yù)應(yīng)力錨索也可以有效地保證巖土體的承載能力，利用其強度可以有效地降低支護結(jié)構(gòu)的自重。因此，邊坡治理工程利用預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡可以在多方面來提高邊坡的穩(wěn)定性，降低邊坡坍塌的可能性。由于在治理過程中制作預(yù)應(yīng)力錨索材料的廉價性和方便性，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益較明顯，所以預(yù)應(yīng)力錨索在現(xiàn)在的施工中應(yīng)用較為廣泛。利用FLAC3D有限元軟件進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的數(shù)值模擬，以此來研究其對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 巖土邊坡錨固技術(shù)基本原理

預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)作為一種主動加固手段，其可以改善邊坡表面巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到限制巖土體變形的效果，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。由于預(yù)應(yīng)力錨索加固效果非常明顯，現(xiàn)在已被很多的邊坡治理工程所證實[2-4]。錨索是通過鉆孔及注漿使鋼絞線錨固在較深巖土層中的一種受拉桿件結(jié)構(gòu)，張拉鋼絞線產(chǎn)生較大的張拉預(yù)應(yīng)力來限制被加固巖土體的變形和保證其穩(wěn)定。

手衛(wèi)生是針對醫(yī)護人員在工作中存在的交叉感染的風(fēng)險而采取的措施,是醫(yī)院感染控制的重要手段,通過手衛(wèi)生,可以有效的降低醫(yī)院感染。持續(xù)完善的開展手衛(wèi)生項目,可以縮短患者的平均住院日,減少花費,很大程度提高醫(yī)院的經(jīng)濟效益與社會效益,對醫(yī)院和患者是雙贏的[1]。也因此,手衛(wèi)生的開展受到世界衛(wèi)生組織(WHO)和全球患者安全聯(lián)盟的高度重視[2]。但是,在WHO發(fā)起運動十多年后,許多醫(yī)療機構(gòu)仍然面臨著手衛(wèi)生依從性低的挑戰(zhàn)。

預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)是邊坡治理工程中的一種比較普遍的加固手段。通過錨索在被加固的巖土體部位產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，使錨索緊密接觸的巖土體處產(chǎn)生一定的摩擦力，以此削弱巖土體的下滑力限制滑塊下滑的發(fā)生，從而達(dá)到加固邊坡的作用[5-8]。

另外，預(yù)應(yīng)力錨索分割斜坡軟弱的結(jié)構(gòu)面后，在被加固的巖土體部位形成許多彼此相互連接的板狀塊體結(jié)構(gòu)，此時這些板狀塊體結(jié)構(gòu)連接形成一個共同的整體，有效地改善了邊坡的穩(wěn)定性，從而達(dá)到了加固的作用。綜合分析預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)對邊坡進(jìn)行加固，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(2)利用錨索的加固作用，來增加巖土體邊坡下滑部位附著力，表現(xiàn)出巖體在下滑的過程中接觸面上的摩擦力得到了一定的提高，從而減少了邊坡失穩(wěn)的可能性。

(1)利用錨索的預(yù)應(yīng)力來抵消一部分下滑巖體的自身重量，抑制巖體下滑的發(fā)生。在此過程中，由于下滑巖體的自身重量得到了降低，導(dǎo)致下滑力下降，使邊坡維持其穩(wěn)定狀態(tài)。

所采用的模型為均質(zhì)巖層，采用六面體網(wǎng)格建立，x方向長為20m，y方向長為3m，z方向最高為13m，模型中施加8根預(yù)應(yīng)力錨索。錨索預(yù)應(yīng)力為60kN,錨索的基本參數(shù)如表1，模型一共劃分1047單元，共有1560個節(jié)點。由于所模擬的是松散、膠結(jié)的巖土體，所以采用摩爾庫倫塑性模型和彈性模型，巖土體材料參數(shù)如表2。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的確定

(3)利用錨索的串聯(lián)作用，使巖土邊坡的巖體連接為一個整體，被加固邊坡部位的抗剪強度和整體剛度得到了相應(yīng)的增加，使下滑巖體的變形得到了抑制，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

圖5(a)、圖5(b)為兩種狀態(tài)下的最大主應(yīng)力云圖，從最大主應(yīng)力數(shù)值的對比可見在坡面上未支護狀態(tài)下的主應(yīng)力較大，其值為8.13e+3，坡面上基本為拉應(yīng)力，促進(jìn)坡面的下滑；而支護狀態(tài)下坡面的最大主應(yīng)力為-3e+4，坡面上基本為壓應(yīng)力，起到穩(wěn)定坡面、增大下滑面上摩擦力的作用。由此可得坡體打入預(yù)應(yīng)力錨索，坡面上的最大主應(yīng)力方向發(fā)生了改變，由原來的拉應(yīng)力變化為壓應(yīng)力，使坡體處于安全的狀態(tài)。由此可說明預(yù)應(yīng)力錨索加固作用為增加滑面上的壓應(yīng)力。圖5(c)、圖5(d)為兩種狀態(tài)下的剪應(yīng)力云圖，從剪應(yīng)力的數(shù)值上可以明顯地發(fā)現(xiàn)，在支護狀態(tài)下坡面上的剪應(yīng)力變大。未支護狀態(tài)下的坡面剪應(yīng)力最大為2.5e+4，起到促進(jìn)坡面下滑的作用，而支護狀態(tài)下的坡面剪應(yīng)力最大值為-3e+4，抵消下滑力。可見在坡體打入錨索其剪應(yīng)力方向發(fā)生了改變，由原來的沿下滑方向變?yōu)榕c下滑力方向相反，因為邊坡的傾角α為45°，錨桿打入坡體的角度為45°，與90°-α相等，所以預(yù)應(yīng)力錨索產(chǎn)生的抗滑力沿坡面向上，起到抵消下滑力的作用。這也說明了預(yù)應(yīng)力錨索加固機理的另一方面，即提供一定的抗滑力。

表1 錨索基本參數(shù)

表2 巖土體基本物理參數(shù)

2.2 模型約束條件

通過建立邊坡數(shù)值計算模型，在模型中施加一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力錨索，對比分析未施加預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡和施加預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡的總位移云圖、x方向位移云圖、z方向位移云圖、剪切應(yīng)變增量云圖、應(yīng)力云圖和塑性云圖來研究錨索的作用效果，主要得到以下結(jié)論：

通過圖2中未支護狀態(tài)下和支護狀態(tài)下的總位移云圖可以得到，位移最大值分別為0.45cm和0.125cm，最大位移值發(fā)生的部位分別為坡腳和坡腳靠上部位。但是從整體的位移最大值對比可以發(fā)現(xiàn)，在邊坡打入預(yù)應(yīng)力錨索后，其位移值明顯減小，減小率為75%，可見預(yù)應(yīng)力錨索對于邊坡總體變形的改善還是挺明顯的。對比圖2(c)、圖2(d)兩種狀態(tài)下的x方向位移云圖，其沿x負(fù)方向最大位移值分別為0.42cm和0.094cm，x方向最大位移值減小率為77.67%。對比圖2(e)和圖2(f)兩種狀態(tài)下的z方向位移云圖，其沿z方向最大位移值分別為0.16cm和0.624cm，z方向位移值減小率為62.18%。由最大總位移減小率、x方向最大位移值減小率和z方向最大位移值減小率綜合分析可知，預(yù)應(yīng)力錨索對于x方向的變形約束較明顯，對于邊坡z方向的位移約束，反應(yīng)出對邊坡沉降的改善也是較明顯的，這正是起到抑制邊坡滑塌的作用。

近日，美的集團進(jìn)行了一輪事業(yè)部的改革，將生活電器與環(huán)境電器事業(yè)部合并，原本的10個事業(yè)部減少至9個。這是繼半年前，美的廚電與熱水器合并成立廚熱事業(yè)部后，美的再次出手整合事業(yè)部。美的內(nèi)部人士表示，此次合并，屬于美的內(nèi)部正常調(diào)整，符合當(dāng)前宏觀經(jīng)濟形勢和行業(yè)發(fā)展環(huán)境的變化。

圖1 數(shù)值分析模型

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

在模擬錨索單元時，利用先刪除再創(chuàng)建的方法來生成link，以此來模擬預(yù)應(yīng)力錨索端部的托盤，即先刪除錨索單元與實體單元之間在錨索端部所自動生成的連接，然后再用剛性連接索代替來模擬實際的托盤效果。錨索所采用FLAC3D的cable單元進(jìn)行模擬，錨索可分為自由段和錨固段，兩端所設(shè)置的相關(guān)錨固參數(shù)不同，在自由段施加預(yù)應(yīng)力。

圖2 支護前后位移云圖

3.2 剪應(yīng)變增量分析

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，邊坡在坡腳處剪應(yīng)變增量較大，其值為4.943e-3，此時破裂面從坡腳已經(jīng)向坡頂貫通，邊坡已發(fā)生破壞。圖4為支護狀態(tài)下的剪切應(yīng)變云圖，可以發(fā)現(xiàn)邊坡最大的剪切應(yīng)變增量為1.098e-3，由于已經(jīng)在坡體內(nèi)打入了預(yù)應(yīng)力錨索，所以此時的邊坡滑動面云圖已經(jīng)發(fā)生改變，即滑動面已消失，但是在坡腳處剪切應(yīng)變增量還是較大的。綜合分析圖3和圖4，兩種狀態(tài)下的剪應(yīng)變增量顯然不同，未支護狀態(tài)下的剪切應(yīng)變增量值較大，可見支護可以減小坡體的剪切應(yīng)變，使增量大概減小77.79%?；诖祟A(yù)應(yīng)力錨索對于提高邊坡的抗剪切強度有較明顯的作用，也印證了傳統(tǒng)條分法和傳遞系數(shù)法的結(jié)論：預(yù)應(yīng)力錨索對于邊坡的加固機制其中之一的方面，即預(yù)應(yīng)力錨索在破裂面上提供了較大的壓應(yīng)力，由此提高了坡體滑裂面的抗剪強度。

第三步，風(fēng)險預(yù)估計。根據(jù)預(yù)評價樣本資料計算事故頻率, 結(jié)合等級評定的風(fēng)險損失后果，由事故風(fēng)險=事故概率×損失后果，以及查閱表2～3來確定事故概率和預(yù)估計風(fēng)險矩陣[18]，逐項評定風(fēng)險級別。

圖3 未支護剪切增量云圖

圖4 支護剪切增量云圖

3.3 應(yīng)力分析

建議：對“健康”患者采用中度限制輸液，對高?；颊卟捎媚繕?biāo)導(dǎo)向輸液；對極端頭低腳高位體位患者應(yīng)限制輸液，但恢復(fù)體位后應(yīng)注意容量補充。

圖5 應(yīng)力云圖

3.4 塑性對比

圖6和圖7分別是有無支護狀態(tài)下的邊坡塑性云圖，從剪切區(qū)的分布上來看，在未施加預(yù)應(yīng)力錨索的邊坡一直處于剪切狀態(tài)的土體分布主要在下滑面處，發(fā)生剪切的部位較多，發(fā)生剪切后穩(wěn)定的部位占絕大部分。而在打入預(yù)應(yīng)力錨桿的邊坡體中，發(fā)生剪切的部位較少，況且坡體一直處于剪切狀態(tài)的部位主要集中在坡腳外，這樣有利于坡體的穩(wěn)定。由此再次說明了在坡體中施加支護結(jié)構(gòu)可以很好地約束其變形。

圖6 無支護塑性云圖

圖7 支護塑性云圖

4 結(jié)語

根據(jù)實際情況所建立的模型，在底部為全部約束，左側(cè)和右側(cè)為水平方向位移約束，上部為自由邊界。本模型所采用分步彈塑性法來生成初始應(yīng)力，即首先將模型的巖土體參數(shù)的抗拉強度和粘結(jié)力賦值為無窮大，使其達(dá)到彈性階段的平衡。然后再對其全部方向的位移和速度清零，抗拉強度和粘結(jié)力重新賦值進(jìn)行塑性計算，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。

(1)預(yù)應(yīng)力錨索在約束邊坡位移方面，對x方向的約束較為明顯，在z方向的沉降位移次之，限制了邊坡沿x方向的下滑。

(2)在剪切應(yīng)變增量方面，預(yù)應(yīng)力錨索可以大幅度地減少邊坡土體剪切應(yīng)變增量，提高土體的抗剪強度。

(3)對比分析主應(yīng)力和剪切應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，錨索可以改變邊坡表面的主應(yīng)力方向，使拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，同時使滑動面上的剪應(yīng)力的方向也發(fā)生改變，將剪應(yīng)力的方向改變?yōu)檠鼗瑒用嫦蛏?。通過改變主應(yīng)力和剪應(yīng)力的方向提高滑面的抗滑力來加固坡體，使坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

因子分析是將一些非常復(fù)雜的變量重組為幾個新的無關(guān)復(fù)合因子的過程。公因子就是每一組變量所代表的一個基本結(jié)構(gòu)。計算指標(biāo)提取公因子然后建立分析模型，計算因子得分、綜合得分，進(jìn)行分析、評價和排名。

(4)對比有無支護的邊坡模型的塑性區(qū)分布，可以認(rèn)為預(yù)應(yīng)力錨索改變了坡體的塑性區(qū)分布，使?jié)撛诨瑒用嫦?。同時也使塑性區(qū)減少，為坡體的穩(wěn)定提供安全儲備。