川西南公路顺层边坡桩锚组合结构加固分析
——以乐西高速ZK9+352～ZK9+526边坡为例

刘正威, 邬 凯, 罗晓龙, 闵 祥, 陈 沛, 唐 爽, 李 涛

(1.四川公路桥梁建设集团有限公司, 成都 610041; 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 成都 610041;3.西南交通大学土木工程学院, 成都 610031)

顺层边坡指边坡走向与岩层近于平行,岩层倾向与坡向交角不超过30°,且边坡坡角大于岩层倾角的层状结构边坡[1-5]。受构造、岩性、地壳抬升等因素影响,顺层边坡广泛分布,坡体内部岩体软弱夹层发育或层间结合差,部分发育层间错动带或构造光滑镜面,受开挖、降雨等诱因作用,其平面滑动主要表现为边坡在自重及其他荷载作用下沿软弱结构面发生顺层滑移破坏,失稳风险高,破坏严重,治理成本昂贵[6-10]。四川盆地是我国的典型红层分布区,其顺层边坡具有区域群发、危害严重、治理成本高等特点[11-14]。

坡脚开挖是含软弱夹层顺层边坡失稳滑动的另一突出诱因。软硬相间顺层边坡中往往存在多个薄层状挤压破碎带,在地下水长期作用下逐渐形成软弱夹层[15-16]。对于含软弱夹层的顺层边坡,在构造裂隙与软弱层面耦合作用下,常发生缓慢、持续、渐进的蠕变变形,且不同部位的变形程度存在差异[17-18]。工程建设开挖揭露某一软弱夹层后,其上覆岩土体在重力作用下易于滑动,且进一步开挖后揭露下一层软弱夹层时往往会再次发生滑动,形成多层式顺层滑坡[15]。胡斌等[19]以某公路软硬互层边坡为例,基于开挖卸荷理论,采用FLAC3D软件进行数值模拟研究,结果表明最大不平衡力、最大水平位移值、剪应变最大值随开挖步数的增加累积增大。唐红梅等[20]认为边坡位移对开挖过程反映比较敏感,量值突增现象显著。马洪生等[21]研究了开挖面陡倾程度对松弛区范围的影响,认为开挖松弛范围随开挖角度的增大而增大。穆成林等[22]认为陡坡度开挖下边坡变形破坏规模大,稳定较差,滑坡深层由层间泥化夹层剪切以及陡倾裂隙组合形成阶梯状滑面,整体以滑移-拉裂深层失稳为主。苏培东等[23]考虑软弱夹层的应变软化特性,认为含软弱夹层顺层边坡的渐进破坏为自坡脚沿软弱夹层延伸至坡顶,并在坡顶产生拉张破坏。

本文以乐山至西昌高速公路马边至昭觉段S1标段某顺层高边坡为例,通过有限元数值计算和现场监测,研究了顺层边坡开挖卸荷后的应力和位移特征,并进一步探讨了桩锚组合结构对于该类工程边坡加固的适用性。研究结果利于工程设计和施工借鉴。

1 工程背景

图1 马边河流域构造纲要及顺层滑坡分布

在场地出露的岩层测得产状:280°∠18°。其中主要发育两组节理,L1:30～50°∠60～70°,切割深度大于4.0 m,裂隙面平整,平面延伸>10.0 m,间距约3.0 m,最大张开宽度5～10 cm;L2:120～140°∠65～85°,延伸长度约4.0 m,切割深度大于3.0 m,间距约2 m,闭合—微张,无充填,各组节理裂隙面较平直、较光滑。钻探揭露滑体平均厚度13.3 m,斜坡坡长214 m。

2 顺层边坡桩锚组合加固数值分析

2.1 数值模型

依据乐西高速马边至昭觉段ZK9+352 ～ ZK9+526左侧典型断面建立有限元模型,如图2所示。其中,无支护条件下的模型用以验证数值模拟的合理性,抗滑桩与锚索支护条件下的模型用以分析顺层岩质边坡的渐进破坏特征与稳定性情况。两种模型尺寸相同,长为269.0 m,高为121.42 m,足以消除边界条件对结果的不利影响。有限元模型分为滑体、滑面、基岩与支护结构4部分。其中,滑体与基岩均为层状岩体,赋予其线弹性模型,滑面赋予弹塑性损伤模型。支护结构中:①抗滑桩与岩体界面法向接触为硬接触,切向接触通过给定罚函数系数进行设置(取0.384);②预应力锚索使用Truss单元模拟,采用T2D2单元类型进行网格离散,并将其分为锚固段与自由段,锚固段使用嵌入约束(Embedded),而自由段不施加约束;③预应力锚索与抗滑桩间的连接使用Coupling节点耦合约束。

图2 有限元数值计算模型

无支护条件下的计算模型采用CPE4和CPE3(平面应变单元)进行网格划分;抗滑桩与锚索支护条件下的计算模型仅使用CPE4进行网格划分。特别的是,两种模型均对滑体的开挖区域和整个滑面部分的网格划分需进行细化,以保证数值计算的准确性。两种模型赋予约束条件:模型底边施加固定约束、左右边界施加水平约束、其余边界自由。

2.2 计算参数及计算工况

基于勘察资料与室内试验结果,确定顺层岩质边坡计算参数,见表1～表4。无支护条件下计算仅考虑边坡自重应力,分为两步:①边坡地应力平衡;②坡体一次开挖完成。支护条件下的计算工况见表5。

表1 滑体与基岩计算参数

表2 滑面计算参数

表3 抗滑桩及框架梁计算参数

表4 预应力锚索参数计算参数

表5 支护条件下的计算工况

2.3 计算结果分析

2.3.1 无支护状态计算分析

边坡无支护状态下数值计算结果如图3～图5所示。由图3可见,顺层边坡开挖后坡脚位置位移最大(32.52 mm),位移沿滑面自坡脚往后缘分布呈指数型平滑递减。采用1.5 mm为位移阈值,可得其首次滑移长度为192.5 m,与现场实际值(183 m)的误差为5.20%。

图3 无支护条件下滑面位移分布

由图4可见,无支护状态下顺层边坡开挖后滑面上剪应力增量在坡脚位置为最小值,其随滑面向坡体后缘先增长后降低;从滑面损伤变量来看,剪应力增量临近峰值时,损伤变量开始降低,且二者衰减具有同频特征。根据滑面弹塑性损伤本构模型,其损伤临界位置距离坡脚184.72 m,即滑面损伤段长度。

图4 无支护条件下应力增量与损伤变量变化规律

图5显示,顺层边坡稳定性系数Fs随计算步长的增长近似呈线性衰减,这表明顺层边坡在开挖扰动下的破坏是具有渐进破坏特征的。此外,开挖完成后Fs=1.157

图5 无支护条件下边坡整体稳定性系数变化规律

2.3.2 支护状态计算分析

采用图2(b)所示桩锚组合结构加固该边坡,数值计算结果如图6～图8所示。由图6可见,支护结构作用下不同开挖步的滑面位移均得到有效控制,W4开挖步施作时有明显位移增长,但开挖完成后最大位移值仅3.7 mm,较无支护条件下降低88.62%。这表明,在先期边坡开挖后框架锚索及抗滑桩等支挡措施及时施作后,顺层边坡坡脚得到高于开挖卸荷的被动荷载补偿,整体稳定性将得到有效控制。

图6 支护条件下滑面位移分布

由图7可见,滑面损伤变量随开挖步的进行而持续增大,开挖后滑面最大损伤变量为0.064,相较于无支护状态下滑面损伤程度降低84.75%。损伤段长度为43.93 m,相比无支护状态下降低76.22%。

图7 支护条件下损伤变量变化规律

由图8可见,桩锚组合结构加固后边坡开挖完成时Fs=1.448>k=1.25,即不满足《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)中的相关规定,较无支护状态提高25.2%。这说明,桩锚组合结构加固顺层边坡能够有效控制坡体的整体稳定状况。

图8 支护条件下边坡整体稳定性系数变化规律

3 现场监测验证

为验证数值计算中所提桩锚组合结构对顺层边坡的加固效果,对乐西高速马边至昭觉段ZK9+352～ZK9+526左侧顺层岩质边坡实施施工全生命周期监测,通过坡体深部位移、支挡结构受力特征等信息反馈加固效果,并验证本文数值计算结果。

3.1 监测方案

针对该工点设计监测方案如图9(考虑文章篇幅,此处仅给出ZK9+466断面)所示。其中,测点类型包括边坡倾角增量、深部位移、锚索应力和抗滑桩桩身弯矩。边坡倾角增量通过倾角仪测量;边坡深部位移采用测斜仪人工监测;锚索应力利用锚索计获取;抗滑桩桩身弯矩基于钢筋计所测得目标钢筋的应力值,按照式(1)进行计算:

(1)

式中:M为桩身弯矩;d为同截面上两个钢筋计的距离;σ1、σ2为钢筋计的应力值,拉为正,压为负;Ec为混凝土的弹性模量,取30 kN/mm2;Es为钢筋计的弹性模量,取200 kN/mm2;Ic为测量断面的惯性矩,Ic=bh3/12,b和h为抗滑桩横坡向和纵坡向的长度,Z1桩与Z3桩b=3.5 m且h=2.5 m,Z2桩b=3.0 m且h=2.0 m。

3.2 监测结果与分析

3.2.1 边坡深部位移

顺层岩质边坡深部位移的监测可获取一定边坡内部一定预埋深度位置所产生的坡向位移数据,是判断边坡是否稳定的重要依据。边坡深部位移监测周期为2021年7月23日至2023年11月25日,此时对应的深部位移监测结果如图10(以CXD1～CXD2为例)所示。

图10 边坡深部位移监测结果

由图10可知,边坡深部位移变化幅度集中于5 mm范围。这表明,桩锚组合结构支护作用下,顺层岩质边坡由开挖产生的变形较小,支护后边坡整体稳定性较好。其中,边坡浅表位移(深度为0 m)波动较大。这是因为,边坡浅表土层以黏土为主,在强降雨等因素影响下黏土易扰动,进而导致较大的位移产生。

需要说明的是,在局部深度位置出现了位移突变情况(如CXD 1深度13 m处),推测原因为孔内壁泥沙淤积导致测斜管内局部的不平滑,进而引起测斜管沿导轨滑动时出现测量误差,该现象的存在对边坡整体变形的判断较无影响。若边坡失稳,深部位移曲线沿深度应呈线性分布。

3.2.2 抗滑桩桩身弯矩

基于抗滑桩的桩身钢筋计应力测量,绘制桩身弯矩分布,如图11(以Z1、Z3桩为例)所示。

图11 抗滑桩桩身弯矩变化规律

抗滑桩桩身弯矩最大值位于距桩顶11～15 m区段,Z1、Z2、Z3与Z4抗滑桩的最大桩身弯矩依次为6 167.93、4 465.51、6 223.16、1 039.06 kN·m。Z1、Z3抗滑桩相较于Z2、Z4抗滑桩具有更大的桩身弯矩,这是因为Z1、Z3抗滑桩在监测周期内进行边坡开挖,而Z2、Z4抗滑桩在监测周期内尚未开挖。

对于Z1与Z3抗滑桩而言,2022年7月18日两桩的桩身弯矩大幅变化,且桩身弯矩分布随距桩顶距离的增大呈“S”形。这是因为,监测周期内框架锚索张拉施工导致抗滑桩的上部坡体推力减小。Z1抗滑桩的桩身弯矩在2023年2月18日与2023年3月24日降低,相比2022年7月18日依次降低45.90%与23.14%,随后Z1抗滑桩的桩身弯矩均呈增大趋势,直至2023年9月25日达到最大值6 167.93 kNm,而在2023年11月25日其桩身弯矩再次降低,相比同年9月25日降低22.92%。Z3抗滑桩的桩身弯矩一直呈增大趋势,直至2023年9月25日达到最大值6 223.16 kNm,与Z1抗滑桩相同的是,在2023年11月25日其桩身弯矩同样发生降低,降低幅度相比同年9月25日降低24.91%。

3.2.3 锚索应力

顺层岩质边坡锚索应力变化规律如图12所示。由图12(a)可知,预应力锚索安装后其应力在短时间内(0～53 d)出现不同程度的降低,在ZK9+466断面内,MS466-1测点在0～53 d内的应力降低幅度为7.76%;MS466-2在6～53 d内的应力降低幅度达到34.67%;MS466-3自6～53 d降低21.55%。在53～264 d时间段内,MS466-1测点的锚索应力增大5.00 kN;然而,MS466-2的锚索应力始终表现为降低。

图12 两个断面锚索应力变化规律

由图12(b)可知,在ZK9+486断面的MS466-1测点在0～53 d内的应力降低幅度为19.12%;MS486-2在6～53 d内的应力降低幅度达27.75%;MS486-3在6～53 d内降低20.26%。由此可见,预应力锚索的初始锁定力越大,则其应力衰减值往往越大。

在53～264 d时间段内,MS486-1测点增大16.30 kN;然而,MS486-2测点的锚索应力始终表现为降低。

这是因为,MS466-1和MS486-1均位于靠近坡面位置,在边坡开挖过程中坡面多为黏土且相较于下部坡体支护效果减弱,坡面产生较大变形,支护状态下的有限元计算结果也表明开挖坡脚位置最大位移出现在坡面位置,因此锚索应力增大。而MS466-2和MS486-2测点的锚索应力降低,则是锚索张拉后的应力松弛现象。

4 结论

(1)顺层岩质边坡在开挖扰动下呈渐进性失稳破坏特征,滑面位移在坡脚位置有最大值,沿滑面向后缘呈指数型平滑递减;应力沿滑面向后缘先增大后降低,而滑面损伤变量从应力峰值点开始同频衰减。

(2)桩锚组合结构加固下,顺层岩质边坡的滑面位移降低88.62%,滑面损伤变量降低84.75%,滑面损伤段长度降低76.22%,边坡稳定性系数提高25.20%。

(3)桩锚组合结构对于顺层边坡的加固具有较好的适用性。施工全生命周期监测表明:桩锚组合结构加固下顺层边坡无明显坡体位移;抗滑桩的桩身受力受框架锚索等边坡支护结构施作的影响,结构协同受力机制有待进一步深入研究;锚索锚固力在经历应力松弛后趋于稳定,仅坡面位置因浅表覆盖层发生轻微波动。