高速公路边坡锚杆加固设计与加固效果的数值模拟
2015-06-15
边坡失稳前一刻，边坡是处于临界或接近临界极限平衡状态的，边坡自身抗滑力接近下滑力，因此，在边坡失稳之前只需要提供小部分抗滑力，边坡就能保持稳定。但是边坡一旦失稳，边坡的巨大塌方量会导致灾难性后果的产生，而且由于抗滑力的显著降低甚至消失，此时再加固，治理费用也是巨大的。如果我们在边坡失稳前根据边坡工程地质情况，提前对边坡进行稳定性分析，结合失稳前边坡本身抗滑力情况，主动提出加固治理方案，将大大减少不必要的经济损失。
1工程概况
X高速全长104.836公里，全程设计特大桥3座3090米，大桥76座23556米，长隧道 6座8519米，中短隧道10座6553米。以X高速公路 K91+200-K91+350 路堑边坡为例，坡高 20m，据边坡设计上部 10 m 高，坡比为 1∶1.25，下部 10 m，坡比为 1∶1，两级边坡中间有一宽2m 平台。该路堑边坡为强风化泥质粉砂岩，具有强度低、软化系数小、干湿循环后易崩解等特点；同时，该红砂岩边坡的岩体节理裂隙较为发育。
2边坡加固方案
路堑边坡上部截水沟依滑坡顶部走势布置，内截面尺寸为 600mm400mm；坡体上排水沟布置在中间平台上，内截面 500mm500mm；排水沟的纵向坡率取0.5%，中间高，两侧低。坡体水流向两侧分流，材料采用浆砌片石，砂浆等级M10。
地表及地下水丰富，在加固工程施工时应参考《土木工程施工》采取必要的降水措施，排出边坡水。
考虑到红砂岩特殊性质，水对边坡稳定性影响很大，坡面防水是非常重要的，采用喷锚支护对红砂岩边坡进行加固，喷锚加固可以使破碎风化的红砂岩完整性得到加强，锚杆的锚固力能够满足抗滑力和边坡长期稳定性的要求，同时喷层护坡可以防止雨水入渗造成对微分化岩体的软化和弱化，从而更好地发挥锚杆的加固作用。
3边坡预应力锚杆加固设计
3.1 边坡剩余下滑力计算
采用传递系数法对边坡剩余下滑力进行计算，传递系数法又称为折线法，这主要是因为最初提出传递系数法是针对折线型滑动面边坡，它是我国独创的边坡稳定分析方法，是验算山区土层沿着岩面滑动最常用的边坡稳定性验算法，同时也用于有不规则结构面的破碎岩体边坡的稳定性分析。本文强风化红砂岩边坡最危险滑动面为圆弧滑面，取各分条中线与最危险滑面交点处的圆弧切线代替折线型滑面。
根据边坡剩余下滑力计算公式计算边坡剩余下滑力，边坡抗剪强度参数取不考虑地下水情况下数值分析法参数反算的结果，c=28.6 kPa，φ=18°。
用传递系数法计算边坡剩余下滑力，最后计算得边坡剩余下滑力 P滑=556.99KN，即计算边坡安全系数 k=1.30 时，边坡需要锚固力为 556.99kN/m。
3.2 设计锚固力计算
P滑可分解为对锚杆的拉拔力 T锚和剪力 T剪（如图3），根据平衡条件有：
根据《公路路基设计规范（JTGD30-2004）取锚杆安全系数 K=2.0。
代入上式得：T锚=1046.80KN； T剪=381.00KN
3.3 锚杆设计
根据《混凝土结构设计规范 (GB50010-2002) 》及 T锚、T剪计算结果，选用冷拉III级钢筋32，钢筋截面面积 804.2mm2, 抗拉强度标准值 fyk=500N/mm2，钢筋的最大张拉力不应超过钢筋抗拉强度标准值的 75%，经计算取 300kN，钢筋材料强度设计值fy=420N/mm2，可计算得到允许的设计拉拔力为 338kN。
根据坡面几何尺寸，每米长度边坡沿坡面布置 4 根锚杆，单根锚杆设计承载力
(满足要求)
钢筋承受剪力（抗剪强度满足要求）
所研究红砂岩边坡为强分化泥质粉砂岩，按中密碎石土考虑，根据《公路路基设计规范（JTGD30-2004）》，地层与锚杆注浆体之间的粘结强度可取为 80kPa。
最后，取定锚杆锚固长度 L=9m（>8.68m）。根据边坡几何参数等情况，设计选定锚杆水平间距为 2.0 米，沿坡面竖向层距为 2.5 米，则平均 2 米长度的边坡沿坡面布置锚杆共 8 根。（按计算，单位长度边坡需 4 根锚杆）。
4加固效果数值分析
4.1锚杆的 FLAC3D 模型
采用锚索构件单元模拟锚杆，锚索结构是弹塑性材料，在边坡中承受拉压以及剪力。当锚杆与岩土体发生相对位移或者有相对位移趋势时，其界面上产生相应的抵抗力。锚索构件在模型中是通过局部坐标定义的，锚索单元有两个自由度，相对于轴向位移有其相应轴向力。
用一维本构模型来模拟锚杆的轴向特性，在实践中被证明是适合的，锚杆的轴向刚度 K、弹性模量 E、加固横截面 A 以及构件的长度 L 之间的关系可以用下面表达式来表达：
（8）
锚杆结构与岩土体的接触面具有粘结性和摩擦力，理想的情况下，在节点轴向上可以采用弹簧滑块来描述系统。当锚杆与水泥浆的接触面和水泥浆与岩土接触面发生相对位移或有位移趋势时，对水泥浆加固环的剪切进行描述需要以下参数：水泥浆剪切刚度；水泥浆摩擦角φg；水泥浆粘结强度 cg；水泥浆外圈周长 Pg；有效周边应力σm。
4.2加固效果分析
边坡模型及所用参数采用第三章不考虑地下水孔隙压力模型；锚杆加固以后的边坡临界状态剪切应变增量云图如图1所示（图中锚杆由黑色线表达）。对比图 3-7 可以发现，边坡稳定安全系数从原来的 1.0 增大到了 1.25，虽然与边坡锚杆设计时锚杆的设计安全系数 1.3 相比偏小，但是已经满足了工程中对边坡稳定性系数的要求。究其原因，锚杆设计时采用的传递系数法计算边坡剩余下滑力，由于传递系数法的假定破坏了理论的严谨性，导致计算所需锚固力结果偏小。因此，在用传递系数法计算边坡剩余下滑力
设计锚杆时应选取较大安全系数，取 1.3 是比较合理的。
同时从两图的对比中也可以看出，支护前的边坡潜在滑动面比较接近坡面，并且通过坡顶及坡脚的薄弱部位，锚杆支护后边坡最危险滑动面已明显后移而更加远离坡面，锚杆支护起到了很好的作用。同时最后应该做好坡面防护，喷混凝土防止地下水的进一步渗入。
5结束语
本文拟定了高速公路边坡工程治理方案，然后计算边坡剩余下滑力，进而对边坡锚杆的钢筋等级、钢筋直径以及锚杆的锚固长度进行计算分析，最后确定边坡的锚杆布置方案。通过数值分析软件的模拟，对比加固前后的边坡临界状态剪切应变增量云图，可知锚杆设计对边坡加固起到了很大的作用，边坡稳定安全系数达到了工程中所规定的界限值。
