某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

將巖石開挖盡量減少，預(yù)測巖質(zhì)邊坡的安全和距離點確定是公路設(shè)計方法中的一個重要問題。若斜坡陡峻,安全問題又很重要,或者邊坡設(shè)計明顯地影響工程費用的話,巖質(zhì)邊坡的合理設(shè)計就顯得尤為重要。而一般情況下,設(shè)計切方是采取多級護坡的,不同坡級所采用的抗滑方案有時是不同的。在巖質(zhì)坡體加固方案中,鋼筋加固措施是最有效而且技術(shù)應(yīng)用也最為成熟的一種。巖石錨栓和巖石錨桿可將巖體加固或聯(lián)系在一起,從而保持巖質(zhì)斜坡或挖方的穩(wěn)定性,常用來支撐大的不穩(wěn)定巖體。本文采用有限元方法分析了巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力分布,并以此為基礎(chǔ),對切方邊坡上的影響巖體整體性的坡級進行了錨桿加固設(shè)計,取得了良好的加固效果。1高水勢邊坡穩(wěn)定反分析湘南某高速公路k60+120～200段右側(cè)邊坡為全線最高切方路段,最高處標(biāo)高位62.63m。原設(shè)計切方最高處有七級坡,第一、二級坡坡比為1∶0.75,其它均為1∶1。第一級臺階處為機耕道,機耕道上、下坡面附近有順坡向節(jié)理,在高切方條件下,坡面與順坡向高傾角節(jié)理和層面構(gòu)成潛在不穩(wěn)定因素。由于切方邊坡較高、較陡,處在較高的應(yīng)力集中條件和巖石風(fēng)化、軟化等條件共同作用下,需要進行邊坡分析計算和邊坡工程設(shè)計。k60+120～200標(biāo)段沿線右坡巖石為紫紅色砂巖,其路基偏左部位有一斷層與公路軸線大致平行,且路基上的砂巖被斷層錯動、切割,且斷層破碎帶寬約為1.5～2.2m,其中大部分為砂巖小塊石和夾泥層。而紫紅色砂巖層面傾向與坡向相反,傾角較緩,基本水平。層厚最大處將近1m,最薄只有幾cm,整個坡面夾有多個薄層泥質(zhì)粉砂巖,這些夾層易風(fēng)化,軟化破碎為小薄片或小顆粒狀。根據(jù)地形及實際切方坡面端面圖,在邊坡最高切方處k60+140、k60+155和k60+185三處各選取了一個剖面進行了邊坡穩(wěn)定性反分析計算,其計算簡圖見圖1。計算時考慮了邊坡實際的順坡向節(jié)理與層面和坡面所構(gòu)成的潛在不穩(wěn)定性,可分析得出潛在不穩(wěn)定體處于平衡狀態(tài)下的抗滑指標(biāo)值,同時利用穩(wěn)定性反分析原理,搜索出最不利的潛在滑移面,計算其處于極限平衡狀態(tài)下的巖體抗滑參數(shù)。本文中的計算坡面以紫紅色砂巖(其容重可取為γ=24kN/m3)為主,對順坡向節(jié)理所構(gòu)成的潛在不穩(wěn)定體進行穩(wěn)定性分析時,將節(jié)理面與層面所構(gòu)成的潛在滑移面作為均質(zhì)體對待,而潛在穩(wěn)定體的抗滑強度指標(biāo)c、φ值可通過極限平衡法反算得到。2驗證結(jié)果c+c對于邊坡穩(wěn)定性計算采用畢肖普法,由于有限元法進行的理論分析是要以假定的邊界條件和巖體性質(zhì)為前提的,故本文采用反分析方法確定了巖體的計算參數(shù)。根據(jù)潛在滑動巖體力學(xué)特征及同類工程資料,取定φ值后,反算出潛在滑動體所處的極限平衡狀態(tài),即安全系數(shù)接近于1.0時的潛在滑動面的粘聚力值c。按這種方式,可對最不利的潛在滑動面和最不利的組合結(jié)構(gòu)面分別進行反分析計算。計算得出在極限平衡狀態(tài)下,按最不利的潛在滑移面分析得到的巖體強度指標(biāo)為c=46kPa,φ=27°;而按最不利組合結(jié)構(gòu)面反分析得出c=38kPa,φ=27°。從這兩組參數(shù)數(shù)值來看,顯然,在c,φ值相同的情況下,最不利組合結(jié)構(gòu)面的安全系數(shù)要高于最不利潛在滑動面的安全系數(shù),故本文計算時以坡面的整體穩(wěn)定性控制為主。而對于本工程坡體中的巖體材料(紅色砂巖),根據(jù)國內(nèi)已有資料,紅色砂巖的強度指標(biāo)值一般為φ≮27°,c=50～200kPa。設(shè)計中考慮到紅色砂巖有遇水軟化、弱化等特性以及整個坡體尚處于穩(wěn)定狀態(tài),故取c=60kPa,φ=30°。據(jù)此來計算邊坡處于穩(wěn)定時,需要加固力為50～390kN/m,此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)K≥1.25,滿足高速公路對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的要求。為了有效地分析巖體擾動前后的狀況,本文采用了有限元方法來模擬計算開挖時邊坡的影響。由計算分析可知,高切方開挖以后,邊坡的應(yīng)力將重新分布,使坡面由三維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài),主應(yīng)力平行于坡面,坡面易產(chǎn)生變形拉裂。塑性變形后塑性區(qū)影響深度,見圖2。經(jīng)計算可知,若巖體指標(biāo)值發(fā)生變化,如遇風(fēng)化、侵蝕等不良地質(zhì)影響,軟化降低到c=46kPa,φ=24°時,五、六級坡面塑性區(qū)距地面一般為6～12m;第四級坡面上的塑性區(qū)較小,且是淺表層的。此外,由于施工時炸石引起的爆破振動會對坡面產(chǎn)生破壞(即破壞了巖石的整體性),又會使原有的粘聚力變小,甚至消失。因此,本文選取在切方邊坡的最下二級采用錨桿加固,其加固區(qū)位的關(guān)鍵節(jié)點在開挖前后應(yīng)力變化圖及數(shù)值,見圖3、表1。3錨桿加固方案針對此段邊坡的地形、地貌和巖性,為減小整治工作量,對坡比1∶0.75和1∶1的坡面分別進行計算。分析時采用的c、φ值為該剖面處于極限平衡狀態(tài)下分析計算所得,即c=60kPa,φ=30°,據(jù)此計算的1∶1五級坡面的最小安全系數(shù)為K≥1.25,因此,在坡面抗滑防護后對最上部1∶1的五級坡體可不進行其它加固措施。而對于最下部的1∶0.75兩級坡面,根據(jù)實際調(diào)查,紫紅色砂巖順破向節(jié)理受斷層影響較為發(fā)育,巖石本身稍破碎;另外受施工影響,坡面3～5m范圍內(nèi)的巖石因爆破而發(fā)生振動,使得原有的粘聚力急劇下降或消失,坡面的巖層抗滑能力下降,影響到坡面的長期穩(wěn)定性。故本文設(shè)計中采取邊坡整治方案的重點是對最下兩級坡體進行錨桿加固。k60+120～220段第一級坡面機耕道下1m采用一排錨桿加固,錨桿長10m,間距2.5m;第二級坡面機耕道上2.0m處開始布置三排錨桿,錨桿排距3m,錨桿長12～14m,間距2.5m。其加固布置斷面圖,見圖4,錨桿與自然地面傾角為35°,錨桿直徑為32mm的Ⅱ級螺紋鋼,錨桿孔徑為90mm。由于加固措施通常是用極限平衡分析法進行設(shè)計的,這種方法是考慮潛在不穩(wěn)定巖體的極限破壞條件,并假定破壞是沿可能破壞面或由地質(zhì)調(diào)查所決定的幾個面而發(fā)生的。對于主動或預(yù)應(yīng)力系統(tǒng),穩(wěn)定邊坡所需的錨固力部分地用于提高破壞面上的正壓應(yīng)力,從而增加了摩擦阻力,另一部分用于阻止引起邊坡不穩(wěn)定的下滑力,各個分力的數(shù)值將取決于錨桿的設(shè)計形狀和方向以及假定的破壞面的特征。對于被動系統(tǒng),最大的可用錨固力由被錨桿橫穿假定破壞面處的鋼筋橫截面的抗拉和抗剪強度來確定。本文采用的是后者,即加固錨桿的抗滑力計算用抗拔力和抗剪力兩種來選定。其中抗拔力計算公式為:Ta=πDLτ(1)式中:Ta為錨桿極限抗拔力,kN;D為錨桿直徑,本文設(shè)計采用值為3.2×10-2m;L為錨桿有效錨固段長度,依本文前述的塑性區(qū)影響深度和在巖層中要求L≥4m,本文取L=5m;τ為巖土層抗剪強度,本文取τ=500kPa。則有:Ta=π×3.2×10-2×5.0×500=251.2kN。錨桿的抗剪強度計算公式為:Tm=[τb]·S·[sinα-cosαtanφ](2)式中:Tm為錨桿抗滑力,kN;[τb]為錨桿容許抗剪強度,可依據(jù)材質(zhì)取為[τb]=200MPa;φ為滑動面內(nèi)摩擦角,φ=30°;α為錨桿與潛在滑動方向夾角,可假定α=80°;S為錨桿截面積,S=π×(3.2×10-2)2/4=0.000804m2。則:Tm=200×103×0.000804×[sin80°-cos80°×tan30°]=142.2kN。由上述計算表明,單根錨桿的設(shè)計抗滑力約為142.2～251.2kN。這樣一、二級坡面上的四排錨桿的抗滑加固力約為:160×142.2/(39×2.5)～160×251.2/(39×2.5)(kN/m),即233.4～410.6(kN/m),滿足加固要求。4噴錨桿加固支護系統(tǒng)①根據(jù)對整個邊坡的穩(wěn)定性分析和現(xiàn)場地質(zhì)資料對比,對1∶0.75的兩級坡面及坡體進行加固處理?？墒褂脟娚浠炷龄摻z網(wǎng)和巖體錨桿結(jié)合使用,以求得一定的結(jié)構(gòu)支撐并形成承受小荷載的扶壁。施工過程中,在采用帶網(wǎng)的噴射混凝土的地方,應(yīng)將所有的松散物質(zhì)從巖體表面清除掉并將網(wǎng)格拉緊;網(wǎng)筋可采用Φ6I級鋼筋,網(wǎng)格為300mm×300mm,并用Φ16I級鋼筋作為掛網(wǎng)釘,掛網(wǎng)噴層厚度為10cm。錨桿施工完成后對坡面進行一次薄噴,噴層厚度可為20～30mm,以便及時封閉裸露巖層,掛網(wǎng)后再復(fù)噴為70～80mm厚度。②采用噴錨加固可使稍破碎的紅砂巖完整性得到提高。錨桿的加固力能滿足邊坡長期穩(wěn)定性要求,同時也增加巖體總體抗拉強度和增強不連續(xù)面的剪切阻力,從而提高了巖體的抗滑強度;噴層護坡既能隔絕雨水對坡面的軟化、弱化,又能使錨桿的加固得到更好的發(fā)揮。本工程的支護方案來看是可行的,而且加固效果是良好的。③錨