張 青，耿春波，李 維

(貴州省交通建設(shè)咨詢(xún)監(jiān)理有限公司)

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)是邊坡加固的先進(jìn)技術(shù)之一，在國(guó)內(nèi)外工程中得到廣泛應(yīng)用，但其理論研究還相對(duì)滯后。因此，結(jié)合工程實(shí)際，利用FLAC3D軟件，對(duì)邊坡的錨固作用效果及邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)邊坡加固工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

貴陽(yáng)至惠水高速公路是《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》“678”網(wǎng)中“四縱”崇溪河～羅甸高速的重要組成路段，在K35+285～K35+460路段，路線(xiàn)切割山體，邊坡最高31.43 m，上覆粘土夾碎石0～2 m，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)吳家坪組第二段下亞段褐黃色泥質(zhì)粉砂巖。巖層產(chǎn)狀:304°∠42°，該段挖方邊坡為陡傾順向坡，軟質(zhì)巖邊坡，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，邊坡開(kāi)挖后下滑力5 939.3 kN，抗滑力5 792.1 kN，安全系數(shù)為0.936，邊坡穩(wěn)定性差，路基邊坡開(kāi)挖后邊坡易發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

1.2 治理方案

為保證貴惠高速公路區(qū)間各路段高邊坡的穩(wěn)定，坡比采用1∶0.5～1∶1，坡高10 m一級(jí)，采用框架式錨桿和框架預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)等處治措施，錨桿長(zhǎng)6.0 m，錨索長(zhǎng)6～26 m，間距5 m×4 m。預(yù)應(yīng)力錨索采用無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)ASTMA416-87a標(biāo)準(zhǔn)270級(jí)7Φ15.24mm。錨固段長(zhǎng)度8 m，鉆孔孔徑φ130 mm，錨索孔內(nèi)自孔底一次性壓滿(mǎn)水泥漿，注漿壓力為0.35～0.6 MPa。錨索自由段采用防護(hù)油及塑料管隔離，每束錨索設(shè)計(jì)施加張拉力850 kN。錨桿材料采用Φ25水泥砂漿錨桿，施工時(shí)下傾與水平夾角為30°，允許誤差±1°，錨桿注漿的水泥漿強(qiáng)度必須保證≥30 MPa，注漿壓力為0.2～0.6 MPa。

2 預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的數(shù)值模擬分析

2.1 FLAC3D軟件介紹

FLAC即快速拉格朗日差分分析的簡(jiǎn)稱(chēng)(Fast Lagrangian Analysis of Continua)，它是美國(guó)Itasca公司研發(fā)推出的一款連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，是目前巖土力學(xué)計(jì)算中的重要數(shù)值方法之一。FLAC3D是FLAC在三維空間的擴(kuò)展，能夠模擬計(jì)算三維巖、土體及其他材料體的力學(xué)特性，現(xiàn)已廣泛用于邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地下洞室、礦山工程、隧道工程等多個(gè)領(lǐng)域。

2.2 模型的建立

FLAC3d不同于大多數(shù)程序采用的數(shù)據(jù)輸入方式，它運(yùn)用的是命令驅(qū)動(dòng)方式，程序的運(yùn)行是通過(guò)命令字來(lái)控制的。為了建立FLAC3D計(jì)算模型，必須進(jìn)行三個(gè)方面的工作。

(1)有限差分網(wǎng)格生成;

(2)本構(gòu)特性和材料參數(shù)的設(shè)置;

(3)邊界條件以及初始條件的設(shè)置。

2.2.1 數(shù)值模擬模型的確定

要比較真實(shí)的反映實(shí)際問(wèn)題，需要選擇有代表性的剖面進(jìn)行數(shù)值模擬模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，本次對(duì)貴惠高速區(qū)間高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選取了K35+400～K35+410路段進(jìn)行數(shù)值模擬，本論文采用的模型為均勻質(zhì)巖體，采用六面塊體網(wǎng)格和楔形體網(wǎng)格兩種基本網(wǎng)格建立。其長(zhǎng)取120 m，寬取10 m，高取31.4 m，巖體內(nèi)布設(shè)12根孔預(yù)應(yīng)力錨索和32根錨桿，具體情況依路段錨索的實(shí)際布置情況進(jìn)行確定。該模型一共劃分單元數(shù)為5 935個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為8 046個(gè)。

2.2.2 本構(gòu)特性和材料參數(shù)的設(shè)置

由于本論文模擬的是巖石、土體這樣的松散或膠結(jié)的粒狀材料，并在實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行了邊坡開(kāi)挖，故在計(jì)算中采用摩爾—庫(kù)侖塑性模型、彈性模型以及空模型三種本構(gòu)模型。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)具體情況和《貴州省貴陽(yáng)至惠水高速公路第l合同段工程地質(zhì)勘察報(bào)告(詳勘)》作參考資料，考慮到上覆粘土夾碎石土層較淺，本模型建立時(shí)忽略各地層巖性的差別，圍巖取均質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，其物理力學(xué)參數(shù)如下:γ =20 kN/m3，C=60 e3Pa，φ =20°，K=3.57 e7Pa，C=2.08 e7Pa，錨索鋼絞線(xiàn)的橫截面積、抗拉強(qiáng)度、彈性模量從生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的出廠(chǎng)證明取得，具體參數(shù)如下:A=140 mm2，T=2.6 e5N，E=1.95 e11Pa，灌漿體的參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)獲得，具體參數(shù)為gr_coh=10e5，gr_k=2e7。

2.2.3 邊界條件以及初始條件的設(shè)置

根據(jù)以上建立的模型和實(shí)際情況限制模型底部任何方向的位移和右側(cè)水平方向的位移，模型上部與邊坡部位為自由邊界。

本模型采用分階段彈塑性法生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，即首先將模型的組成材料的抗拉強(qiáng)度和粘聚力賦值為無(wú)窮大，對(duì)其進(jìn)行彈性求解直至達(dá)到平衡狀態(tài)，然后將模型的參數(shù)重新賦值為真實(shí)值進(jìn)行塑性階段的求解直至達(dá)到平衡。

結(jié)構(gòu)單元方面，通過(guò)刪除—建立link連接的方法來(lái)模擬托盤(pán)，即刪除ZONE(所屬實(shí)體單元)與錨索單元頭部自動(dòng)建立的連接，然后重新建立它們之間的剛性連接來(lái)模擬托盤(pán)。錨索和錨桿采用cable單元進(jìn)行模擬，在錨固段和自由端設(shè)置不同的錨固參數(shù)，預(yù)應(yīng)力加在錨索的自由段。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及結(jié)果分析

2.3.1 邊坡發(fā)生破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)

由于FLAC3D以及其他許多軟件在模擬的過(guò)程中當(dāng)土體開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)不能對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行及時(shí)的更新，也就無(wú)法對(duì)巖土材料發(fā)生破壞之后其強(qiáng)度的變化這一過(guò)程進(jìn)行逼真的模擬，所以在模擬過(guò)程中我們很難看到非常明顯的坍塌現(xiàn)象。那如何對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行判斷呢?下面介紹兩種判斷邊坡是否發(fā)生破壞的方法。

(1)最大不平衡力

不平衡力指的是數(shù)值計(jì)算迭代過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)外力之差。在靜態(tài)求解模式中用它來(lái)判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，其中最大的值就叫最大平衡力。在數(shù)值分析中，最大不平衡力不可能為零，但是只要最大不平衡比率R，即最大不平衡力與作用在體系上的外力的比值小到可以忽略不計(jì)時(shí)(FLAC3D中默認(rèn)值為10-5)，我們便認(rèn)為體系達(dá)到了平衡狀態(tài)。如果在計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)所以監(jiān)測(cè)最大不平衡力可以發(fā)現(xiàn)邊坡是否破壞。

(2)剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

最大不平衡力收斂也不能足以證明邊坡穩(wěn)定，因?yàn)檫吰掳l(fā)生破壞后也有可能重新達(dá)到平衡，因此還需要觀察模型的變形情況才可以確定邊坡是否破壞。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)剪應(yīng)變?cè)隽康戎翟茍D貫穿整個(gè)土體，形成一個(gè)封閉的圈，就可判定該邊坡已經(jīng)發(fā)生破壞。

2.3.2 無(wú)支護(hù)與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)狀態(tài)下的數(shù)值模擬及結(jié)果對(duì)比分析

(1)最大不平衡力

由于在進(jìn)行邊坡開(kāi)挖無(wú)支護(hù)狀態(tài)下的數(shù)值模擬時(shí)，計(jì)算體系一直無(wú)法自動(dòng)收斂，作者自定義了收斂標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置時(shí)步為30 000(nstep=30 000)，一旦時(shí)步運(yùn)行到30 000，求解過(guò)程終止。圖1為時(shí)步運(yùn)行到30 000的該狀態(tài)的最大不平衡力變化曲線(xiàn)。由圖中的變化曲線(xiàn)可知最大不平衡力一直沿著1e5N的直線(xiàn)波動(dòng)，出現(xiàn)了不收斂的現(xiàn)象，這表示著該邊坡在該狀態(tài)下發(fā)生坍塌。圖2為K35+400～K35+410路段邊坡開(kāi)挖后采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)狀態(tài)下數(shù)值模擬計(jì)算得出的最大不平衡力變化曲線(xiàn)圖，從圖中我們可以看到最大不平衡力曲線(xiàn)變化，在初始的時(shí)候不平衡力很快減小到幾乎為零，然而在計(jì)算達(dá)到6 000多時(shí)步時(shí)，突然高達(dá)9e5N，但是隨著計(jì)算的進(jìn)行，不平衡力逐漸減小，當(dāng)時(shí)步達(dá)到10 724時(shí)，體系再次達(dá)到平衡狀態(tài)。這是因?yàn)檫吰碌拈_(kāi)挖引起了較大的不平衡力，但是由于預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)作用，邊坡重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)狀態(tài)下nstep=30 000的最大不平衡力變化曲線(xiàn)

圖2 開(kāi)挖后預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)態(tài)下最大不平稀有力變化曲線(xiàn)

(2)剪應(yīng)力增量云圖

從圖3我們可以看出隨著邊坡的逐級(jí)開(kāi)挖，剪應(yīng)變集中范圍逐步增大，尤其到了第一級(jí)邊坡開(kāi)挖后，最大剪應(yīng)變竟高達(dá)5.73，剪應(yīng)變集中范圍也大面積增加，從開(kāi)始坡腳的一小部分一直延伸到坡頂，形成一塑性貫通區(qū)域，表明此邊坡已經(jīng)發(fā)生坍塌。而圖4顯示，邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽侩m然發(fā)展到5.14e-3，但只是在邊坡開(kāi)挖后的坡腳處呈現(xiàn)出少量剪切應(yīng)力集中的現(xiàn)象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有形成貫通區(qū)域，說(shuō)明該狀態(tài)下邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的可能性極小。

圖3 開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)狀態(tài)下剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

2.3.3 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)狀態(tài)下錨索平均軸向力圖

從預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)狀態(tài)下錨索平均軸向力中我們可知，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)狀態(tài)下錨索軸力全部呈受拉狀態(tài)，并沒(méi)有壓力出現(xiàn)。其中第三級(jí)邊坡支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索后斷面錨索軸向力的最大值僅為250 kN，第二級(jí)邊坡支護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索后斷面錨索軸向力的最大值為296 kN，這是由于邊坡開(kāi)挖卸荷較小，整個(gè)邊坡位移變形量都較小，而錨索支護(hù)作用的發(fā)揮前提是巖體產(chǎn)生較大的變形，此時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)措施對(duì)邊坡變形約束效果較差，預(yù)應(yīng)力錨索也沒(méi)有發(fā)揮出它應(yīng)有的效果。但在第一級(jí)邊坡開(kāi)挖后，斷面錨索軸向力的最大值達(dá)到了715 kN，說(shuō)明此時(shí)邊坡位移變形量增大，錨索在控制邊坡的變形中發(fā)揮了極其重要的作用。另外，其軸向力稍小于錨索的設(shè)計(jì)抗拔力(850 kN)，具有一定的安全儲(chǔ)備，此設(shè)計(jì)較符合實(shí)際地層的需要。

3 小結(jié)

(1)無(wú)支護(hù)開(kāi)挖條件下，K35+400～K35+410路段邊坡隨開(kāi)挖的進(jìn)行邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，剪應(yīng)變?cè)隽坑兴黾?，水平以及豎直位移也隨之增大，但在沒(méi)有任何誘發(fā)因素的影響下邊坡可能還能保持一定的穩(wěn)定。而第三級(jí)邊坡開(kāi)挖后，計(jì)算體系達(dá)不到平衡，安全系數(shù)急劇降低，最大剪應(yīng)變和剪應(yīng)變集中范圍急劇增加，形成了一塑性貫通區(qū)域，由此種種我們可以判定該邊坡已經(jīng)發(fā)生了坍塌。

(2)在采用預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿聯(lián)合支護(hù)條件下，計(jì)算體系都較快的達(dá)到平衡，最大剪應(yīng)力較之天然狀態(tài)也有所變大，但只是在坡腳很小一個(gè)范圍內(nèi)發(fā)生剪應(yīng)變集中現(xiàn)象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有形成貫通區(qū)域，不影響邊坡的整體穩(wěn)定性。此外，斷面錨索軸向力的最大值達(dá)到了715 kN，說(shuō)明此時(shí)邊坡位移變形量增大，錨索在控制邊坡的變形中發(fā)揮了極其重要的作用。

上述成果表明:預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)措施的及時(shí)實(shí)施，可以有效限制邊坡的變形，大幅度減少邊坡體內(nèi)的塑性區(qū)，從而有效提高了邊坡的抗滑穩(wěn)定性，具有良好的支護(hù)作用。

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