基于復(fù)合筋錨桿支護(hù)邊坡工程的穩(wěn)定性分析

鐘 皓， 梅志遠(yuǎn)， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

1 復(fù)合筋錨桿

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)西部加大開(kāi)發(fā)力度，推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。中西部地區(qū)的交通線路多數(shù)需要穿越山區(qū)，勢(shì)必會(huì)對(duì)沿線山體邊坡的巖土體進(jìn)行開(kāi)挖、改造，形成數(shù)量眾多的人工邊坡。邊坡的開(kāi)挖，造成了邊坡巖土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，原有地質(zhì)環(huán)境的平衡被破壞，可能會(huì)致使巖土體失穩(wěn)，發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，不僅會(huì)延誤工期，甚至?xí)斐扇藛T的傷亡。邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題為山區(qū)交通工程建設(shè)的重中之重。因此，如何改善及加固邊坡、降低邊坡失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)，這顯得尤為重要。

Malvar[1]通過(guò)對(duì)多種不同類(lèi)型的GFRP筋的粘結(jié)-滑移試驗(yàn)結(jié)果的整理分析，得到Malvar模型，即纖維增強(qiáng)聚合筋與混凝土的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型。Tighiouart等[2]發(fā)現(xiàn)在對(duì)試件施加相同的荷載下，混凝土與鋼筋的截面粘結(jié)強(qiáng)度要高于其與玻璃纖維增強(qiáng)聚合筋的界面粘結(jié)強(qiáng)度，然后結(jié)合GFRP筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度值對(duì)CMR模型參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。閏富友等[3]對(duì)GFRP錨桿作用機(jī)理進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得到了GFRP錨桿的軸力、GFRP錨桿與砂漿之間的粘結(jié)應(yīng)力以及這二者之間的相對(duì)滑移變形關(guān)系。黃志懷等[4]研究了GFRP錨桿的應(yīng)力分布和滑移情況。李麗華等[5]進(jìn)行了GFRP錨桿拉伸和蠕變驗(yàn)證試驗(yàn)，得到結(jié)論：桿體在40%的荷載水平作用下，幾乎無(wú)蠕變現(xiàn)象，GFRP錨桿的性能是優(yōu)越的。

本文采用FLAC3D軟件建立三維模型，研究邊坡在3種錨桿作用下的穩(wěn)定性，為相關(guān)工程建設(shè)提供借鑒與參考。

2 數(shù)值模型的建立及條件設(shè)定

2.1 模型建立

首先需要選取坐標(biāo)系：FLAC3D計(jì)算模型，X軸沿邊坡長(zhǎng)邊方向水平向右，Y軸沿邊坡厚度方向水平向內(nèi)，Z軸豎直向上。具體計(jì)算模型范圍：X軸方向?yàn)?0 m，Y軸方向?yàn)?4 m，Z軸方向?yàn)?0 m，即模型長(zhǎng)×寬×高：90 m×24 m×50 m(圖1)。

圖1 計(jì)算模型

本次計(jì)算采用平面應(yīng)變條件計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建模分析時(shí)考慮了材料非線性一級(jí)幾何非線性模式。為此，采用FLAC3D計(jì)算程序，引入能合理描述物質(zhì)實(shí)際力學(xué)行為的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則，以期能獲得預(yù)期的理想效果。

由于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則是少參數(shù)的準(zhǔn)則，選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則選，另一方面給予他是“所有可能的屈服面的內(nèi)極限面”的理由，因此采用這種選擇對(duì)于工程分析而言，不僅使用方便而且是偏于安全的。

模型共分四級(jí)邊坡，各級(jí)邊坡高度均為8 m，各級(jí)坡腳長(zhǎng)度均為2 m。一級(jí)、二級(jí)邊坡坡度為1∶1，其中一級(jí)邊坡采用漿砌片石進(jìn)行表面加固，二級(jí)邊坡采用框架梁進(jìn)行表面加固，且均采用錨桿支護(hù)。綜合各種因素考慮，一級(jí)邊坡錨桿長(zhǎng)度5 m，二級(jí)邊坡錨桿長(zhǎng)度9 m，橫向和縱向間距均為360 cm。三四級(jí)邊坡坡度為1∶0.75，均采用漿砌片石進(jìn)行表面加固，無(wú)錨桿加固。

2.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，大部分路段硬塑狀粉質(zhì)黏土或稍—中密狀角礫碎石土不均，其下為全—強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖夾砂巖等。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料和公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，綜合工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算中采用的物理力學(xué)參數(shù)

GFRP錨桿和鋼筋錨桿的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)廠家生產(chǎn)說(shuō)明、室內(nèi)拉拔試驗(yàn)等數(shù)據(jù)，結(jié)合規(guī)范，確定所用GFRP筋、SFCB筋和鋼筋的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。錨桿布置情況如表3所示。

表2 錨桿所用GFRP筋、SFRP筋和鋼筋的物理力學(xué)參數(shù)

表3 錨桿計(jì)算參數(shù)

在四周施加約束，模型上邊坡臨空面為自由面。

3 自重條件下邊坡支護(hù)前變形規(guī)律

由水平方向位移云圖(圖2)可知，發(fā)生位移的區(qū)域主要分布在風(fēng)化松散破碎層，基巖區(qū)域位移值很小，位移值在土層分界線上下形成了明顯的分界。而且在越靠近坡腳的位置，水平位移越大。從圖中可知，邊坡的位移最大值為5.02 mm，出現(xiàn)在一級(jí)邊坡的坡腳處。坡體最大位移(均小于1 cm)都在許可范圍內(nèi)。

圖2 水平位移云圖

由邊坡位移矢量圖(圖3)也可證實(shí)，坡體的位移趨勢(shì)在松散層和基巖的分界面處上下有顯著的區(qū)別，上方風(fēng)化松散層的位移較大，下方基巖區(qū)域的位移很小。

圖3 位移矢量圖

由剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D(圖4)可以大致確定滑坡面位置、大小，剪應(yīng)變區(qū)域大致呈弧線形，起始于一級(jí)邊坡坡腳，但并未完全貫通。剪應(yīng)變最大值為4.4872×10-3，發(fā)生在坡體內(nèi)部，位于二級(jí)邊坡坡腳下方4 m左右深度。剪應(yīng)變的弧線形所處位置基本與風(fēng)化松散層和基巖之間的分界線(即潛在滑動(dòng)面)大致重疊。

圖4 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

可見(jiàn)，在自重條件下邊坡能夠保持穩(wěn)定，但仍需對(duì)降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

4 降雨條件下的邊坡加固穩(wěn)定性分析

4.1 工況及參數(shù)的設(shè)定

在降雨模型建立過(guò)程中，由于項(xiàng)目路段旱、雨兩季降雨量差距十分懸殊，因此，應(yīng)該充分考慮工程項(xiàng)目所在地的降雨特征，設(shè)定不同降雨工況進(jìn)行分析。

本文設(shè)定3種降雨強(qiáng)度工況，即旱季降雨強(qiáng)度工況、雨季降雨強(qiáng)度工況和年平均降雨強(qiáng)度工況。根據(jù)3種降雨工況設(shè)定其對(duì)應(yīng)的地下水位線位置，水位線上方土體采用自然重度，下方土體或巖體采用飽和重度，并對(duì)水位線下方的飽和巖土體及水位線附近的土體強(qiáng)度進(jìn)行不同程度的抗剪強(qiáng)度折減，以此來(lái)模擬巖土體的遇水軟化效應(yīng)(圖5～圖7)。具體降雨強(qiáng)度工況見(jiàn)表4。

圖5 一號(hào)水位線位置

圖6 二號(hào)水位線位置

圖7 三號(hào)水位線位置

表4 降雨強(qiáng)度工況 單位:m

綜合考慮邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)。無(wú)準(zhǔn)確試驗(yàn)資料時(shí)，天然狀態(tài)或飽和狀態(tài)巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按照天然狀態(tài)或飽和狀態(tài)巖塊的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，和邊坡巖體完整程度，按照表5中的系數(shù)進(jìn)行折減確定。

表5 邊坡巖體內(nèi)摩擦角的折減系數(shù)

(1)飽和狀態(tài)下的粉黏土(風(fēng)化破碎層)的內(nèi)摩擦角參數(shù)的折減系數(shù)根據(jù)上表選定為15%，粘聚力c的折減系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常達(dá)到16%。

(2)飽和狀態(tài)下的砂頁(yè)巖(基巖)由于本身巖體完整，孔隙率低，軟化作用并不明顯(c、φ值約折減5%左右)，且抗剪強(qiáng)度參數(shù)較高，穩(wěn)定性較好，因此對(duì)砂頁(yè)巖的強(qiáng)度折減對(duì)計(jì)算結(jié)果影響極小。最終計(jì)算參數(shù)如表6所示。

表6 降雨條件下邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)

4.2 降雨條件下邊坡支護(hù)前的坡體變形規(guī)律

從圖8～圖10可以看出，邊坡未支護(hù)時(shí)在雨季、年平均、旱季3種降雨工況下，不平衡力時(shí)程曲線逐漸發(fā)散，這表明3種工況下模型計(jì)算均不收斂，無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)。從3種工況下的位移云圖可以看出，模型在坡頂處的位移值較大，但計(jì)算尚未有收斂趨勢(shì)。此外，由剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，3種工況下模型發(fā)生剪應(yīng)變變形的區(qū)域已經(jīng)全部貫通，滑動(dòng)面上方已經(jīng)形成明顯的滑體。由以上論述可知，3種降雨強(qiáng)度下，邊坡在未支護(hù)時(shí)均發(fā)生破壞。

圖8 雨季時(shí)邊坡支護(hù)前水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖9 年平均降雨工況時(shí)邊坡支護(hù)前水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖10 旱季時(shí)邊坡支護(hù)前水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

4.3 降雨條件下錨桿邊坡支護(hù)效果

(1)雨季降雨工況邊坡變形規(guī)律見(jiàn)圖11～圖13。

圖11 GFRP筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖12 SFCB筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖13 鋼筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

由邊坡水平位移云圖可知，分別采用GFRP、SFCB和鋼筋錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)之后，均計(jì)算收斂，水平位移最大值分別為6.2 mm、5.6 mm、5.4 mm，坡頂位移值僅為1.5 mm，這表明水平位移大小較支護(hù)前已經(jīng)得到了明顯控制。

由邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，剪應(yīng)變區(qū)域已經(jīng)明顯減小并且沒(méi)有貫通，這表明坡體還未形成完整的滑動(dòng)體。分別采用GFRP、SFCB和鋼筋對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)之后，剪應(yīng)變最大值分別為4.8×10-3、4.4×10-3、4.3×10-3。剪應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，位于二級(jí)邊坡坡腳下方4 m左右深度處，而不是出現(xiàn)在坡腳，這使得土體的剪切現(xiàn)象被控制在了坡體內(nèi)部，并沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展至表面形成明顯的剪出口，表明使用錨桿支護(hù)后對(duì)于邊坡的變形有明顯的控制作用。

這表明降雨條件下使用SFCB筋錨桿與鋼筋錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)可以有效減小邊坡體的變形，達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。

(2)年平均降雨工況邊坡變形規(guī)律見(jiàn)圖14～圖16。

圖14 GFRP筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖15 SFCB筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖16 鋼筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

由邊坡水平位移云圖可知，分別采用GFRP、SFCB和鋼筋錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)之后，坡體均計(jì)算收斂，得到水平位移最大值，5.3 mm、4.8 mm、4.6 mm，坡頂位移值僅為1.5 mm，這表明水平位移大小較支護(hù)前已經(jīng)得到了明顯控制。

由邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，剪應(yīng)變區(qū)域已經(jīng)明顯減小并且沒(méi)有貫通，這表明坡體沒(méi)有形成完整的滑動(dòng)體。分別采用GFRP、SFCB和鋼筋對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)之后，剪應(yīng)變最大值分別為4.0×10-3、3.7×10-3、3.6×10-3。剪應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，位于二級(jí)邊坡坡腳下方4 m左右深度處，而不是出現(xiàn)在坡腳，這使得土體的剪切現(xiàn)象被控制在了坡體內(nèi)部，并沒(méi)有發(fā)展至坡體表面形成明顯的剪出口，表明使用錨桿支護(hù)后對(duì)于邊坡的變形有明顯的控制作用。

這表明降雨條件下使用SFCB錨桿與鋼筋錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)可以有效減小邊坡體的變形，達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。

(3)旱季降雨工況邊坡變形規(guī)律見(jiàn)圖17～圖19。

圖17 GFRP筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖18 SFCB筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖19 鋼筋錨固后坡體的水平位移云圖和剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

由邊坡水平位移云圖可知，分別采用GFRP、SFCB和鋼筋錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)之后，坡體均計(jì)算收斂，水平位移最大值分別為3.5 mm、3.3 mm、3.2 mm，坡頂位移值僅為1.5 mm，這表明水平位移大小較支護(hù)前已經(jīng)得到了明顯控制。

邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，剪應(yīng)變區(qū)域已經(jīng)明顯減小并且沒(méi)有貫通，這表明坡體沒(méi)有形成完整的滑動(dòng)體。分別采用GFRP、SFCB和鋼筋對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)之后，剪應(yīng)變最大值分別為3×10-3、2.8×10-3、2.8×10-3。剪應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，位于二級(jí)邊坡坡腳下方4 m左右深度處，而不是出現(xiàn)在坡腳，這使得土體的剪切現(xiàn)象被控制在了坡體內(nèi)部，并沒(méi)有發(fā)展至坡體表面形成明顯的剪出口，表明使用錨桿支護(hù)后對(duì)于邊坡的變形有明顯的控制作用。

這表明降雨條件下使用SFCB筋錨桿與鋼筋錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)可以有效減小邊坡體的變形，達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。

(4)不同降雨工況下錨桿邊坡支護(hù)變形規(guī)律對(duì)比(表7、圖20)。

表7 不同降雨強(qiáng)度下3種錨桿邊坡支護(hù)位移情況 單位:mm

圖20 不同降雨強(qiáng)度下分別采用3種錨桿支護(hù)后坡體位移情況

由圖19表7和圖20可知：

(1)同種錨桿加固時(shí)，降雨強(qiáng)度越小，坡體位移越小。

(2)相同降雨條件下，采用不同錨桿進(jìn)行加固時(shí)，鋼筋錨桿加固時(shí)坡體位移最小，效果最優(yōu)，SFCB錨桿加固效果次之，GFRP錨桿效果最差。

(3)在降雨強(qiáng)度不大時(shí)，采用3種錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行加固，坡體位移差別不大。

(4)3種錨桿對(duì)坡體位移的限制作用都很明顯，雖然有優(yōu)劣之分，但是差別不大，坡體最大位移(均小于1cm)都在許可范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文利用數(shù)值分析中較為常用快捷的快速格朗日分析法對(duì)依托工程的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，利用FLAC3D數(shù)值模擬，得到結(jié)論：

(1)邊坡在3種錨桿的錨固作用下，表層土體得到加固，且主要滑動(dòng)面消失，坡體在二級(jí)邊坡坡腳處衍生出次生滑動(dòng)面。

(2)3種錨桿作用下，次生滑動(dòng)面處的剪應(yīng)變值都很小，土體沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)，在次生滑動(dòng)面部位沒(méi)有較大的位移出現(xiàn)。

(3)3種錨桿對(duì)坡體位移的限制作用都很明顯，雖然有優(yōu)劣之分，但是差別不大，坡體最大位移(均小于1cm)都在許可范圍內(nèi)。