锚索框格梁支护某二级公路边坡的数值模拟.pdf

第 1 1 卷第 4期 2 0 1 4年 8月 铁道科学 与工程学报 J o u r n a l o f Ra i l wa y S c i e n c e a n d E n g i n ee r i n g Vo l u me 1 1 Nu mb e r 4 Au g u s t 2 0 1 4 锚 索框格梁支护某二级公 路边坡 的数值模拟 袁维 傅鹤林 孙明国 陈琛 中南大学 土木工程学院 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 摘要 利用有限差分强度折减法 讨论 自然状态下的边坡稳定性情况 对锚 索框格梁支护结构受力及其对边坡稳定性影 响进行分析 并将各开挖步下的边坡稳定性情况进行 了对比 计算结果表明 经锚索框格梁加 固支护后 边坡稳定性显著提 高 锚索对土体起到明显的反向锚固作用 同时 边坡滑动面首次出现在开挖支护面之上 表现为潜在的滑体将越过支护面 滑 出 为 满足边坡 的使 用功 能 需作长远考虑 关键词 稳定性分析 锚索框格梁 边坡支护 有限差分法 滑动面 中图分类 号 U 4 1 6 1 4 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 2 7 0 2 9 2 0 1 4 0 4 0 0 9 6 0 7 Nu me r i c a l a n a l y s i s o f a n c h o r f r a me b e a ms s u p p o r t i n g s t r u c t u r e o f a h i g h wa y s l o p e YUAN W e i FU He l in S UN Mi ng g u o CHEN Ch e n S c h o o l o f C iv i l E n g i n e e r in g C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n fini t e d if f e r e n c e s t r e n g t h r e d u c t io n me t h o d t h e a na l y s i s o f n a t u r a l s l o p e s t a bi l it y wa s d is c u s s e d a n d t h e s t r e s s o f a n c h o r f r a me b e a ms s u p p o r t in g s t r u c t u r e a n d t h e ir e f f e c t s o n s l o p e s t a bi l it y we r e a na l y z e d Me a n wh il e t h e s l o p e s t a bi l it y o f e a c h e x c a v a t io n s t e p wa s e s t i ma t e d c o mp a r a t iv e l y Th e r e s u l t s s h o w t h a t t he s t a b il it y is s ig n i fi c a n t l y i mp r o v e d a f t e r b e in g s u p p o rte d a n d c a b l e s ha v e a n o b v io u s r e v e r s e a nc h o ri n g e f f e c t o n s o i l At t h e s a me t i me t he s l o p e s l id in g s u rfa c e fi r s t l y a p p e a r s u p o n s u p p o r t in g s u r f a c e o f e x c a v a t i o n a n d p o t e n t ia l l a n d s l id e s ma y s l id e a c r o s s t h e s up p o rt s u rfa c e I n o r d e r t o me e t t h e u t i l it y o f s l o p e s it wo u l d b e b e t t e r t o h a v e l o n g t e r m c o n s id e r a t i o n Ke y wor ds s t a b il it y a n a l y s is a n c h o r fla me b e a ms s l o p e s u p po rti n g FDM s l id in g s u r f a c e 西部地区修建公路工程 由于区域地质构造影 响相对较强 岩体破碎 风化强烈 其边坡设计一直 是工程难题 边坡设计 的重要问题是选取合适的 支护结构 需要采取适当的研究方法对边坡稳定性 及支护效果进行评价 目前 国内外不少学者针对 边坡稳定性分析进行了研究 并取得了诸多满足设 计与施工要求的成果 陈祖煜 对土质边坡稳定 分析的原理 方法 程序进行了探讨与研究 郑颖人 等 针对边 滑 坡工程设计 中安全 系数进行 了 求解与讨论 连镇营等 研究 了开挖边 坡 的稳定 性 刘立鹏等 基于 F L A C强度折减理论对边坡稳 定性进行 了研究 此外 在考虑支护结 构影响方 面 郑颖人等 运用有限元 强度折减法对边 滑 坡支挡结构 的内力进 行求解 赵明华等 基于拱 效应的边坡抗滑桩桩间距进行计算 G r iff it h s等 基于有限元理论分析了边坡支护的稳定性 王光勇 等 针对软岩高边坡预应力锚索框架梁支护结构 进行了试验研究 但是 由于边坡工程的复杂多样 性 还须结合具体情况解决实际问题 本文拟根据 某地段边坡工程地质条件复杂且较差的特点 利用 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 1 6 基金项目 湖南省交通建设计划项 目 2 0 0 9 2 8 通讯作者 傅鹤林 1 9 6 5一 男 江西高安人 教授 从事岩土与地下工程教学与科研工作 E m a i l f u h e l i n l 0 0 y a h o o c o m c n 第 4期 袁维 等 锚索框格梁支护某二级公路边坡的数值模拟 9 7 有限差分强度折减法 考虑支护结构与边坡体的相 互作用影 响 对锚 索框格梁 支护结构效果进行 评 价 确保边坡工程施工的安全进行 1 有限差分强度折减法原理 有 限差分强度折减法的原理就保持岩体介质 的重力加速度不变 将抗剪强度指标 c 和 同时除 以折减 系数 F 根据式 1 2 得到新的抗剪 强度指标 然后进行有 限差分分析 通过逐步减少 岩体介质的抗剪强度指标 反复计算直至边坡达到 临界破坏状态 此时的抗剪强度指标与岩体介质原 有的抗剪强度指标之 比 即为岩体介质边坡的安全 系数 F J o l c 1 c 1 a r c t a n n 叫 2 有限差分软件 F L A C 如即是利用上述原理进行 边坡 的稳定性分析 其优点是充分考虑岩体边坡 开挖引起的应力重分布和协调变形 快速准确地搜 索到滑裂面的位置 同时 利用 F L A C 如的后处理 模块 可 以动态地显示广义剪应变增量及塑性区的 演化情况 本文主要是基于有限差分强度折减法 借助 F L A C 软件 以特征部位位移 塑性 区分布及 剪应变增量贯通情况作为边坡失稳的判断依据 确 定边坡的临界滑裂面 求得边坡的安全系数 F J 2 工程实例及计算模型 水富至绥江二级公路 6合 同南岸段 K 6 7 3 0 0 一 K 6 7 7 8 0牟村边坡处于 中切割低 中山陡坡 区 路线区位于川滇经 向构造带 与青 藏 滇 缅 歹 联合现象普遍 各种构造形迹力学性质复杂 路线 经过区跨 的主要地质构造主要为大岩沟断裂组 柏 松溪断裂 福建 山断裂 湾湾滩 断层 和楼东 断层 受区域地质构造影响相对较强 岩体破碎 风化强 烈 针对该边坡地质条件最为复杂的一段长度约 6 0 m的边坡体在 自然 未开挖情况下 的稳定性进行 分析 利用 F L A C 如建立计算模 型 首先 考虑 的是 模型的几何条件与工程实际边坡形状相一致 同时 为了满足计算机模 拟的实现进行适当简化 该段 公路走 向基本与边坡的走 向相一致 其三维计算模 型如图 1 所示 图 1 边坡三 维计算模 型图 F ig 1 S l o p e t h r e e d ime n s io n a l c a l c u l a t io n mo d e l 该边坡计算模型 中心坐标原点 如 图 1所示 其中 边坡 方向计算长度为 8 8 m 包括右侧路基 宽度 1 0 m 边坡 y方 向计算长度为 6 0 m 边坡 z 方 向左侧最大高度为 4 8 2 m 右侧路基 高度为 1 2 m 边坡岩土体单元 皆采用实体单元 共划分9 9 2 0 个 网 格 单 元 z o n e s 和 1 1 3 6 1个 节 点 g r id p o in t s 其本构关系采用理想 弹塑性模型 屈服准 则为 Mo h r c o u l o m b屈服准则 根据郑颖人等 0 l 的研究结论 本次计算采用非关联流动法则 剪胀角 取 通过参考 水 富至绥江二级公路 K 6 7十3 0 0 K 6 7 7 8 0段边坡工程地质勘察报告 及类似工程经 验 得到该边坡模型的力学计算参数如表 1 所示 表 1 边坡 岩土体 力学参数 字型构造体系东支中段复合部位 构造复合以及 T a b I e 1 M e c h i 1 p t f 1 p m c k 设置边坡模型的边界条件为 左右边界约束全 部 方向速度 前后边界约束全部 Y 方向速度 边 坡模型底面模拟固定支座 约束全部 Y和 方 向 速度 边坡表面为 自由面 3 边坡稳定性分析 根据前述有限差分强度折减法 通过降低岩体 的抗剪强度系数以确定边坡 的安全系数 首先设 第 4期 袁维 等 锚索框格梁支护某二级公路边坡的数值模拟 9 9 度指标为 水泥浆剪切刚度 K s 水泥浆黏结强 度 C g 水泥浆摩擦角 水泥浆外圈周长 P 有效周边应力 o r 由上述参数定义的水泥浆 一 锚索系统力学特性见图6 索 竺 堡 意 露 7 旨 i c f h 1 a 理想 系统 b 锚 索与岩石相对位移 C 周边应力 图 5 理想水泥浆 一锚 索系统模型 F ig 5 I d e a l iz a t io n mo d e l o f g r o u t e d c a b l e s y s t e m l I 旧 IP 一 L a T f b a 剪切力 长度与相对剪切位 移 u b 剪切强度标准 图 6水泥浆 一锚索 系统力学特性 Fig 6 Me c h a nic a l pr o p e r t y f o r g r o ut e d c a bl e s y s t e m 在锚索与孔洞接触之间发生相对剪切位移 引起的每单位长度 的剪切 力 与水泥浆 刚度 成 比例关系 如下式 F K Z 4 式 中 通过实验室拉伸试验获取 2 框格梁单元 F L A C 中的 l in e r 单元能够较好地反 映结构单 元与网格体之 间出现的法向拉压作用 以及切向摩 擦作用 因此 本次计算 中采用 l in e r 单元对框格梁 的支护作用进行模拟 L in e r 结构单元与岩体接触 面的法向 切向本构关 系分别如图 7和图 8所示 压 厂 雠 重髓 拉 图 7 法向应力与相对 法向位移 的关 系 Fig 7 N o r ma l s t r e s s v e r s u s r e l a t iv e n o r ma l d is p l a c e me n t 卜 一 T叮 1 l 表 2 锚索单元力学参数 Ta bl e 2 Me c h a n ic a l pa r a me t e r s o f s t r u c t u r e e l e me n t s 4 2 2 计算步骤与工况模拟 根据该边坡 的施工及支护设计方案 确定其施 工过程模拟计算步骤如表 3所示 锚索框格梁模拟 支护结构见 图 9 首先 依照初始条件生成岩土体 自重应力场与位移场 然后置初始位移场为 0 第 1 步和第 2步依照施工工序进行开挖及锚索框格 1 0 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 4年 8月 上 潜在的滑体可能越过支护面滑出 这是传统支 护设计易忽视的方面 5结论 1 复杂地质条件下 的边坡设计一 直是工程 难题 本文借助 F L A C 如有限差分软件 考虑支护结 构与边坡体的相互作用影响 对边坡的稳定性及支 挡结构受力进行了计算与分析 并对锚索框格梁支 护结构效果进行 了评价 为指导施工提供参考 2 边坡经锚索框格梁加固支护后 边坡稳定 性得到显著提高 土体剪应变率相较未支护时明显 变小 此外 边坡挤出性位移明显减少 锚索对土 体起到明显的反 向锚固作用 3 锚索框格梁支护完成后 边坡滑动面首次 出现在开挖支护面之上 表现为潜在 的滑体将越过 支护面滑出 为满足边坡 的使用功能 需结合工程 实际情况作长远考虑 参考文献 1 陈祖煜 土质边坡稳定分析一原理 方法 程序 M 北京 中国水利水电出版社 2 0 0 3 CHEN Z uy u S t a bil it y a n a l y s is o f s o il s l o pe p ri n c ipl e m e t h o d p r o g r a m M B e r i n g C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s 20 03 2 郑颖人 赵尚毅 边 滑 坡工程设计 中安全系数的讨 论 J 岩石力学与工程学报 2 0 0 6 2 5 9 1 9 3 7 1 9 4 0 Z HE NG Yin g r e n Z HA O S h a n g y i D is c u s s io n o n s a f t y f a c t o r s o f s l o p e a n d l a n d s l id e e n g i n e e rin g d e s i g n J C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n ic s a n d En g in e e r in g 20 0 6 2 5 9 1 9 3 7 1 9 4 0 3 赵尚毅 郑颖人 时卫民 等 用有限元强度折减法求 边坡稳定安全系数 J 岩土工程学报 2 0 0 2 2 4 3 3 43 3 46 ZHAO S h a n g y i Z HE NG Yin gre n S HI W e imin e t a 1 A na l y s is o n s a f e t y f a c t o r o f s l o pe by s t r e ng t h r e d uc t io n F EM J C h i n e s e J o u n al o f G e o t e c h n ic a l E n g in e e rin g 2 0 0 2 2 4 3 3 4 3 3 4 6 4 连镇营 韩国城 孔宪京 强度折减有限元法研究开挖 边坡的稳定性 J 岩土工程学报 2 0 0 1 2 3 4 4 0 7 4l 1 L I A N Z h e n y in g H A N G u o c h e n g K O N G X i a n j i n g S t a b i l i t y a n a l y s is o f e x c a v a t i o n b y s t r e n g t h r e d u c t i o n F E M J C h in e s e J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l E n g in e e ri n g 2 0 0 1 2 3 4 4 0 7 4 1 1 5 刘立鹏 陈奇 张彬 基于 F L A C强度折减理论的边坡 稳定性研究 J 岩土工程技术 2 0 0 8 2 2 1 6 1 0 L I U L i p e n g C H E N Q i Z H A N G B in S l o p e s t a b i l i t y a n a l y s is b a s e d o n s t r e n g t h r e d u c t i o n t h e o r y i n F L A C J G e o t e c h n i c a l E n g in e e rin g T e c h n i q u e 2 0 0 8 2 2 1 6 1 0 6 郑颖人 赵尚毅 用有限元强度折减法求边 滑 坡支 挡结构 的内力 J 岩石力学与工程学报 2 0 0 4 2 3 2 0 3 5 5 2 3 5 5 8 Z HENG Yin g r e n Z HAO S h a n g y i C a l c u l a t io n o f in n e r f o r c e o f s u p p o s t r u c t u r e f o r l a n d s l id e s l o p e b y u s in g s t r e n gt h r e d u c t io n F E M J C h in e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e rin g 2 0 0 4 2 3 2 0 3 5 5 2 3 5 5 8 7 赵明华 廖彬彬 刘思思 基于拱效应的边坡抗滑桩桩 间距计算 J 岩土力学 2 0 1 0 3 1 4 1 2 1 1 1 2 1 6 ZHAO Min g h ua LI AO Bin b in LI U S i s i Ca l c u l a t io n o f a n t i s l i d e p i l e s s p a c i n g b a s e d o n s o i l a r c h in g e f f e c t J R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s 2 0 1 0 3 1 4 1 2 1 1 1 2 1 6 8 G r iff i t h s D V L a n e P A S l o p e s t a b i l i t y a n a l y s i s b y fin i t e e l e m e n t s J G e o t e e h n iq u e 1 9 9 9 4 9 3 3 8 7 4 0 3 9 王光勇 冉隆飞 软岩高边坡预应力锚索框架梁支护 结构的试验研究 J 铁道科学与工程学报 2 0 1 0 7 5 2 0 2 4 W ANG Gu a n g y o ng RAN L o ng f e i Ex p e ri me n t a l s t u dy o n t h e b e a m fl a me s u p p o sin g s t r u c t u r e o f p r e s t r e s s e