风化岩体高边坡稳定性分析与锚固系统效果评价

　　摘要:文章通过对高速公路高边坡的地质情况调查研究，用ANSYS有限元软件对边坡的稳定性情况进行了模拟分析，根据分析结果和边坡具体情况，设计采用预应力锚索加网格梁加固方案。然后对其进行边坡加固，并对加固效果和锚索的受力情况进行了模拟分析，分析结果证明加固效果良好。
　　关键词锚杆(索)；加固机理；锚固系统；影响因素；边坡加固
　　1引言
　　本文所选取来进行分析的坡面所在长条形山丘走向SN40º左右，走向长大于1Km，宽度230m，山顶高程196.2m，山脚最低标高120m左右，高差76.2m，自然山坡坡比1：1.16。该山丘两侧均为与山丘走向一致的冲沟低谷，冲沟最低标高117m。路面中线高程131.2m左右，坡面长120m，坡面最高处高58.5m。该边坡面与岩层倾向为逆向坡，风化岩层上厚下薄，属于强风化的页岩边坡。
　　2风化岩体边坡的特点
　　(1)风化残积层
　　该层厚度不大，大多数地段基岩裸露，出露覆盖层主要为第四系澧水河流高级阶地沉积物，岩性上部主要是(含砾)低液限粘(粉)土，褐黄色、土黄色、灰黄色等，可塑～硬塑状，砾质成份主要为硅化页岩角砾，粒径0.5～2cm，次棱角～次圆状，含量约占25～35%左右，层厚0～5.85m，分布于山坡坡脚地段。
　　小块石土，灰黄绿色、紫红色，稍湿，稍密～中密，成份主要为页岩，棱角～次棱角状，含量约占75%以上，层厚0～13.20m，主要分布在山坡上。卵夹石土，灰黄绿色、紫红色，湿，中密，成份主要为长石石英砂岩、页岩等，粒径一般5～15cm，次棱角～次圆状，分选一般，含漂石，层厚0～5.7m，分布于河流阶地下部。
　　(2)页岩
　　灰黄绿色、青灰色、灰黑色，泥钙质胶结，中厚层薄层状，具硅化现象，岩质较软，易风化。
　　全风化层：岩性已全风化成碎石土组成，层厚0～2.5m。
　　强风化层：节理裂隙发育，岩芯破碎，呈碎块状，层厚0～2.5m。
　　弱风化层：节理裂隙发育，岩石相对较硬，钻孔岩芯较完整，多呈柱状。
　　经原位测试、室内试验、并参考有关规范规程结合当地工程经验，推荐各工程地质分区的主要岩土力学指标值如表1所示[1]。
　　表1岩土力学参考建议值表
　　地
　　层
　　代
　　号 岩土名称 容许承载力(kPa) 钻孔桩桩周土的极限摩阻力τ1(kPa) 天然状态单轴抗压强度Ra
　　(MPa) 凝聚力
　　C
　　(kPa) 内摩擦角
　　φ
　　(°) 基底摩擦
　　系数
　　f
　　Qp 含砾低液限粘土 200~250 35~45  10~40 12~23 0.30~0.40
　　 砾石 300~400 60~80  20~25 20~35 0.40~0.50
　　 砾石土 300~400 80~120  24~35 20~35 0.40~0.50
　　S 全风化页岩 300 70 2~3 28~33 26~35 0.30~0.40
　　 强风化页岩 350 80 4~6 28~35 30~35 0.35~0.40
　　 弱风化页岩 600~800  5~8 30~40 30~35 0.40~0.50
　　3风化岩体对边坡稳定性的影响
　　由于风化岩体结构的破坏，从很多方面降低了边坡的稳定性，具体可从以下几个方面来分析[2-3]。
　　（1）透水性能增加，抗剪强度降低，从而降低了边坡的稳定性。
　　在页岩中，由于各矿物颗粒的膨胀率各异。当风化作用导致其不均匀的膨胀和收缩；或者由于水的溶蚀、水解岩中某些可溶物质，都将削弱和破坏岩石中矿物颗粒之间的联结，导致岩石力学性能降低，特别是岩石的透水性能增大，抗剪强度降低。
　　（2）形成和加剧的岩体裂隙，导致软弱结构面的产生，从而影响边坡的稳定性。
　　由于风化作用，使岩体沿着已有的联结比较软弱的地方，如未裂开的层理、片理、劈理方向上，矿物结晶颗粒之间的结合面上，以及在矿物结晶颗粒解理方向上，形成新的裂隙。或对原有裂隙进一步加深、增宽、延伸和扩大。这种形成或加剧岩体裂隙的作用，主要是由于水的楔入作用和冻胀作用。
　　在边坡开挖后，通过对现场工程地质情况的调查，发现在强风化带、弱风化带中岩体裂隙较为发育，裂隙面倾角较陡，裂面多呈闭合状，且裂隙中多有泥质胶结的充填。幸运的是没有一组节理倾向与边坡的临空面倾向一致[4]
　　4边坡开挖有限元计算
　　本文利用ANSYS有限元软件对开挖后的边坡的坡面进行稳定性验算，通过验算结果了解开挖后边坡的稳定性情况。图1为边坡开挖前和开挖后的整体模型和网格划分。
　　模型采用D-P屈服准则。建立模型时，先生成加固锚索所在位置的关键点和节点，然后再根据节点建立锚索单元，采用beam3二维梁单元来模拟锚索，这样可以得到锚索所受到的轴力和剪力，整个支护结构共有12根锚索。然后再建立台阶处的关键点，生成台阶处的网格梁单元，根据加固设计的情况整个模型共建立了7个台阶，因为网格梁可以看作是柔性支护结构，所以也可以采用beam3二维梁单元来进行模拟。接下来，再建立边坡的坡面曲线和坡体的面，在此过程中生成开挖时需要杀死的单元的面，这样就可以方便的通过生死单元来模拟边坡的逐级开挖的过程了[5]。
　　
　　图1开挖前后的边坡整体模型
　　计算模型经过分台阶开挖荷载逐步释放的计算后，可以看到在未进行任何有效的支护的情况下边坡开挖后的位移和受力情况，图2为边坡在分台阶开挖完成之后的竖向位移图。从图中可以看出，在开挖之后边坡有明显的向下滑动趋势，边坡的竖向位移最大值达到7.13cm。从图中还可以清楚地看出，如果步对开挖的边坡进行相应地支护措施，则由于边坡的滑移还会引起了左侧路面的向上隆起，隆起量可以达到将近20cm。
　　
　　图2边坡开挖之后的竖向位移云图图3边坡开挖之后的水平位移云图
　　图3为边坡开挖完成之后的水平位移云图。从图中可以看出，边坡在没有任何支护措施的情况下分台阶开挖完整个边坡会产生很大的水平位移，最大值为21.7cm。而且由于边坡的向外滑移，也引起了左侧边路堤的水平向位移，最大值为10.5cm。
　　从图4边坡的总的位移矢量图中我们也能很清楚的看出，边坡在没有有效的支护的情况下，即便是分多台阶进行开挖也会对整个边坡造成很大的扰动，使边坡产生明显的滑移。另外还可以从位移的云图中看出边坡单元的运动趋势呈圆弧状破坏。
　　
　　图4边坡开挖之后的总的位移矢量云图
　　5边坡加固设计与稳定性分析
　　坡面每10m高设一台阶，台阶宽2m，上设截水沟。在边坡稳定性系数不足1.2的断面之间沿路线以3.5-5m间距，沿坡面布置规格400×400mm的地梁,每根地梁安装3根预应力锚索。第一级坡面的地梁之间浆砌片石窗式护坡，窗内浆砌片石造景。从第二级至第三级坡面的地梁之间浆砌片石窗式护坡，岩层内安装泄水管，窗内坡面栽植灌木和植草。第四级至第七级坡面（标高150m以上）强风化层较厚，为了防止地表水渗入岩层，造成岩层软化，采取先在岩层内注浆封闭透水层，再在坡面栽植灌木和植草。其布置如表2所示[6]。
　　表2边坡加固色设计方案
　　分级 支挡结构 坡高 坡率 锚索长度 锚索数量 锚固长度
　　第五级 植草 10m 1:0.75   
　　第四级 地格梁+预锚 10m 1:0.75 30m 30根 >8m
　　第三级 地格梁+预锚 10m 1:0.75 30m 39根 >8m
　　第二级 地格梁+预锚 10m 1:0.75 25m 48根 >8m
　　第一级 实体护面墙+预锚 10m 1:0.5 25m 57根 >8m
　　锚索材料采用高强度、低松驰钢绞线，其技术标准为270级，直径φ15.24mm，极限强度为1860Mpa，每根锚索的设计张拉吨位为500KN；注浆材料为水泥浆，水灰比为0.4~0.5，浆体强度≥30Mpa，注浆压力为0.5~1.0~2.0Mpa[7-8]。
　　如图5边坡加固后的竖向位移云图所示，在对边坡进行的相应的加固措施之后，边坡的竖向位移有显著的减小，边坡的竖向滑移最大值减小到了2.92cm，左侧路面的向上隆起位移最大值也减小到了8.57cm。对边坡的水平位移而言，加固后与加固前相比，也可以清楚的看出，加固后的边坡水平向位移也有很明显的减小。边坡水平位移的最大值由加固前的21.7cm减小到了6.90cm，而且边坡左侧的路堤的水平位移最大值也由边坡加固前的10.5cm减小到了加固后的4.35cm。由这两个数据的对比我们可以清楚的看出，边坡的滑动在加固后得到了明显的控制。
　　
　　图5边坡加固后的竖向位移云图图6边坡加固后的水平向位移云图
　　图7为加固后的边坡的总的位移矢量图，从图中我们也能很清楚的看出，边坡在进行了有效的支护的情况下，整个边坡的变形得到了很好的控制。综合边坡的竖向位移和水平位移以及总的位移，可以说这次加固就本边坡而言还是比较成功的。
　　
　　图7边坡开挖之后的总的位移矢量云图
　　对于锚索（杆）的具体受力情况，我们同样在进行每步的开挖运算之后，给出锚索在工作状态时的轴力和剪力的分布图，如图8a和图8b所示。对于网格梁的具体受力情况，我们同样在进行每步的开挖运算之后，给出网格梁在工作状态时的轴力和剪力的分布图，在本文的分析中是选用ANSYS的二维梁单元beam3来对网格梁进行模拟分析的，网格梁的受力情况如图8c所示
　　
　　a)锚杆轴力b)锚杆剪力c)网格梁应力
　　图8边坡支护系统应力云图
　　从上图的边坡支护系统的受力情况可以清楚地看出，锚杆对边坡的滑动起到了很好的抑制作用，锚索（杆）的应力最大值为0.55MPa，位于第9根锚杆的后端位置。从锚索（杆）的受力特点看，锚索（杆）的受力集中在锚杆的中部，呈现中部大，两端小的情况。另外，在下部的几根锚索（杆）的里端，出现了受拉的情况，受拉的拉应力值不大。对整个边坡的稳定性没有影响。从图中还可以看出，锚索的轴力和剪力沿锚索全长呈非线性分布，但由于它随着岩体变形而变化，所以要给出它的轴力和剪力的简单计算公式或实测值是很困难的[9]。文献[10]中也给出了锚杆在工作时和拉拔试验时受力的分布情况，与本次模拟的结果比较一致，也说明了本边坡的分析是比较符合实际的。
　　6结论
　　本章通过对边坡的地质情况调查，参考相关的资料，对其边坡的情况进行了描述，同时选取了相关的一些参数。然后通过ANSYS有限元程序对其边坡的稳定性情况进行了模拟分析，分析边坡在开挖后的位移情况，说明边坡处于不稳定状态。根据边坡稳定性的分析结果，确定了预应力锚索加地格梁的加固方案，并通过有限元方法验证了此加固方案是合理和有效的。随后又对影响边坡锚固效应和锚固支护效果的因素进行了分析研究，并对支护系统的受力进行了分析。提出理论一些对工程有指导意义的方法和措施，但是岩土锚固问题对于不同的工程还需要因地制宜进行合理有效的分析和评价。
　　
　　参考文献
　　[1]湖南省常德至张家界高速公路项目招标文件.第十六合同段第四卷设计图表B册路线，路基、路面及排水，第五卷D册工程地质资料.湖南交通规划勘察设计院，2002.8
　　[2]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
　　[3]张宏博,李英勇,宋修广.边坡锚固工程中锚索预应力的变化研究.山东工学学报（工学版），2002.12:575～578
　　[4]冯文学.预应力锚索在路基边坡加固施工中的应用.山西建筑,2003.5:233～234

《风化岩体高边坡稳定性分析与锚固系统效果评价》

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