吉怀高速公路红砂岩边坡的稳定性分析和治理

第 3 6卷 第 3期 2 0 1 1 年 6 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 6 No 3 J u n 2 0 1 1 吉怀 高速公 路红砂 岩边 坡 的稳定性 分析和 治理 杨 国梁 湖南省吉 怀高速公路 建设开发有 限公司 湖 南 怀化4 1 8 0 0 0 摘要 利用极 限平衡法和有 限元 数值法对 红砂岩边 坡进行 全面 的稳定 性分 析 根据失 稳前 边坡 自身抗 滑 力大 小 主动性地提 出治理 方案 关键 词 红砂岩边 坡 稳定性分 析 治理 中图分 类号 U 4 1 6 1 4 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 1 0 3 0 0 3 5 0 3 S t a bi l i t y An a l y s i s a n d Tr e a t me n t o f Re d S a n ds t o n e S l o p e s i n J i Hu a n E x p r e s s me n t YANG Guol i a ng H u N a n J i H u a i E x p r e s s w a y H u a i h u a Hu n a n 4 1 8 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t T h e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f t h e r e d s a n d s t o n e s l o p e s w a s i n v e s t i g a t e d b y l i mi t e q u i l i b r i u m me t h o d a n d f i ni t e e l e me n t me t h o d Mo r e o v e r t h e t r e a t me n t s c h e me s we r e p r o p o s e d a c c o r di ng t o t he a n a l y s i s o f s ki d r e s i s t a nc e o f u n s t a bl e s l o pe Ke y wo r d s R e d s a n d s t o n e s l o p e s S t a b i l i t y a n a l y s i s T r e a t me n t 对 于 已经 失稳 或者 滑 坡 已经 产 生 以后 的边 坡 采 用抗 滑桩 挡 土墙 等 处治 方案 进行 工程 治 理 往往 是 被动 的 而 在边 坡 濒 临 失 稳 前 边 坡 处 于 临界 或 接近失稳的临界状态 岩土体 自身 的抗滑力接近或 等于抗滑力 因此 在边坡 失稳之前 提供部 分抗滑 力 即可保 持边 坡稳 定 而 一旦边 坡 失稳 下 滑 的边 坡 岩 土体会 产 生灾 难 性 的后 果 且 由于 抗 滑 力 的显 著 降低 甚 至 消 失 加 固 治 理 费 用 也 是 巨 大 的 如果 能提前 对 边坡 实 际工程 地质 特征 及 岩土 体 的力 学 特性 进行 研 究 进 而对 边坡 的稳 定 性进 行分 析 根 据失稳前边坡本身抗滑力情况 主动性地提 出治理 方案 将会大大减少不必要的经济损失 边坡 的稳 定 性 分析 方 法 很 多 目前 在 工 程 上 广 为应 用 的是 以刚 体极 限平 衡 理 论 为 基 础 的 条 分 法 常见的包括毕 肖普法 瑞典条分法等 分析作用于条 块上的力并进行刚体平衡验算 获得滑动面反力 进 而计算每一可能滑动面的安全 系数 找 出最危险滑 动 面及 安全 系数 并 以此 作 为 边坡 稳 定 性 的判 断 依 据 其 优点 是计 算 简单 参 数 和安 全 系 数 可 根 据 室 内外实 验 并 结 合 工 程 经 验 和 设 计 规 范 确 定 其缺点 是不 能计 算 岩 体 的 变形 对 崩 塌 和 蠕 动 等 变 形破坏的边坡缺乏成熟的分析方法 有限元数值分 析 方法 近年 来发 展 很 快 其 优 点 是 考 虑 了复 杂 的边 界条件 介质力学性质 结构轮廓和实际施工运行过 程 以及岩体 内不 同级别 的结构面的影响 缺 点是建立反映岩体应力 一应变特点和破坏机理的模 型较为困难 数值分析前处理过程较为复杂 且工作 量大 软 件不 规范 计算 结果 因人 而 异 安 全 系数 的 取值无标准 边坡稳定性分析的 目的是为寻求最经 济治 理方 案提 供 依 据 因此 综 合 使 用 极 限 平衡 法 数值模拟法的分析成果 有助于有效地对边坡的稳 定 性作 出客观 的评 价 1 工 程 概 况 吉 怀 高速公 路 l 7标 k 8 9 9 6 5一k 8 9 9 9 5 段 右侧边坡 边坡高度 2 0 m 原设计为 2级边坡 第 1 级 坡 比为 1 l 第 2级 坡 比为 1 1 2 5 边 坡 以 2 类 红砂 岩 为 主 属 于弱 风化 和微 风化 状态 2边 坡 稳 定 性 分 析 2 1 简化 毕 晓普 法边坡 稳 定性反 分析 在 搜 索最 小 安 全 系 数 的滑 动 面 时 将 红砂 岩 边 收稿 日期 2 01 1 0 3 1 9 作者简介 杨 阁梁 1 9 7 9 一 男 湖南长沙人 硕 二 研究生 1 二 程 师 主要从事高速公路建设与管理 3 6 公路工程 3 6卷 坡岩 土体 作 为均 质 体对 待 并 建立 能反 映 实 际情 况 的较准确的相应的地质模型和计算模型 潜在滑坡 体的抗剪强度参数指标 c 值 可通过极限平衡法 反算得到 计算时重度取 2 5 k N m 根据经验 对 红砂岩边坡进行稳定性分析 时 D 值较不敏感 在 反演 过程 中 先 选定 固定 的 妒值 然 后 对 c 从 2 k P a 开始取值 每次增量为 2 k P a 绘出在不同 c 值下边 坡的安全系数曲线 即为 F c曲线 图 1为在 l 5 时的安全系数与粘聚力的关系 根据参数反演 的原理 认 为边坡 此 时处 于极 限平衡 状态 即 安全系数为 1 0 在图 1中 找到 F 1的直线 其 与 F fc 曲线交点的横坐标即为反算的 c 值 但是 此时的 1 5 为经验取值 为 了表示 值对边坡 稳定性 的影响 下 面对 的不 同取值进 行 F c曲线 的绘制 图 2为利用极限平衡法用的简化毕晓普法 绘制的不同 妒值下的 F c 曲线 1 4 1 2 辍1 0 0 8 槲0 6 0 4 O 2 豁 剞 稍 0 l O 2 O 3 0 4 0 c k P a 图 1 p 1 5 时的 F C曲线 Fi g u r e 1 F s c c u r v e wh e n t h e P 1 5 c k a 图 2不 同 p值 时的 F s c曲线 传递 系数法 J F i g u r e 2 Fs c c u r v e s a t d i f f e r e nt t r a n s f e r c o e f f i c i e n t me t h o d 为了提高计算精度 本文还采用简布法 瑞典条 分法对不同 值下的 F c 进行了反算并取平均值 得 到 以上 3种 方法 的 F c曲线 见 图 3 对图 3中的每个曲线进行最小二乘法的拟合 并求 出 每条拟 合 曲线 与 F 1直线 的交 点 该 交 点 表示 的 c tp值 即为参 数反 演 的结果 将不 同 值 下 的求得的 c 值连线 即为 当安全系数 为 1时 边 坡 的物理 力学 参数 变化 情况 如 图 4所示 根 据 图 4中 的 c 一 直 线 可 以得 到 多组 安 全 系 数等于 1时的 c 值的组合 考虑到该地区红砂 岩 的天 然 含 水 率 在 1 5 左 右 并 结 合 现 场 取 土 的 1 4 I 2 1 0 髫o 8 稍 0 6 O 4 O 2 0 1 0 2 0 3 0 4 0 c k P a 图 3 不 同 p值 时的 F c曲线 Fi g u r e 3 Fs c c u r v e s a t d i f f e r e n t 1 2o d 1 3 4 1 4 一一 4 1 5 一 d 1 6 击 1 7 o 4 1 8 o 击 1 9 o c k上 a 图 4 F j 1时的 c p值 F i g u r e 4 t h e c 妒 v a l u e s wh en t he Fs 1 室内试验结果 吉怀高速公路红砂岩的粘聚力 c 取 2 3 9 k P a 内摩 擦 角 取 1 5 考 虑 到 该地 区红 砂岩 具 有 遇水 软化 弱 化 的特 性 以及整个坡体目前 尚处于稳定状态 故边坡整体 抗滑指标值应高于计算值 在这里根据反分析计算 资料和国内同类岩体对 比资料 取 1 8 c 2 7 5 k P a 据此计算 边坡安全 系数 k 1 3 0时 整个边 坡 需要锚 固力 为 2 3 2 k N m 2 2 有 限差 分 法计算 分析 2 2 1土体模 型 利用 有 限差 分 法 软 件 F L A C 2 D进 行 数 值 分 析 模型 建立 如图 5所示 计 算模 型高 度 日 3 0 m 共 2级 边坡 每级 为 1 0 m 基础 深度 为 1 0 m 第 1 级边坡坡率为 1 1 第 2级边坡坡率为 1 1 2 5 在第 1级和第 2级之间有一个 2 n a 宽的台阶 如图 5 由软 件 自带 功 能 对 模 型进 行 离 散 网格 为 5 5 x 3 0 模 型两 侧 为 y方 向约 束 底 部为 y方 向 约束 问题 简化为平 面应变 问题 土体 采用理想 弹 55 图 5 F L AC网格 划分与尺寸图 单位 m F i g u r e 5 F L AC me s h g e n e r a t i o n a n d d i me n s i o n u n i t m 第 3期 杨 国梁 吉怀高速公路 红砂岩边坡 的稳定性分析 和治理 3 7 塑 性模 型 计算 参数 包 括 内摩 擦 角 粘 聚 力 c 密 度 P 剪切 模 量 G 体 积模 量 内摩擦 角 粘 聚 力 C 采用 反 算 获 得 参 数 其 他 参 数 采 用 文 献 资料 该计 算模 型参 数 如 表 1所示 表 1模型计算 参数 T ab l e l Pa r a me t e r s o f mo de l c a l c u l a t i o n 由于 采用 相关 联 的 流 动法 则 计 算 产 生 简 胀 过 大 因此 本 研 究 采 用 不 相 关 联 流 动 法 则 0 G r i f fi t h s 的研究表 明 这种选择能够给出可靠 的安全 系数 以及合 理 的潜 在 滑动 面 的形 状 和位 置 2 2 2 计 算 步骤 本文采用强度 储备安全 系数 F 土体 的抗 剪 强度 满足平衡所需 的抗剪强度 计算时 输入土体 强度指标 内摩擦角 和粘聚力 c 分步施加重力 荷 载进 行计 算 然 后逐 步 降低 土 的强 度参数 直 至加 筋边坡出现滑移破坏 此 时的土体强度参 数 和 C 即 为满足 平衡 所 需 的抗 剪 强 度 所 求 边 坡 安 全 系数 F 见 下式 为计算 方便 和 c按 同 一 比例 变 化 c c F t a nq t a n q Fs 2 2 3边坡 破坏 的判 别 本 文 以有 限差 分 解 的 不 收敛 作 为破 坏标 志 在 最 大迭 代次 数 内有 限元 结 果 不 收 敛 则 表 明 没 有 一 种 应力 分 布可 以同 时 满 足 屈 服 准 则 和 整 体平 衡 解 不 收敛 可认 为破 坏 已发 生 计 算 过 程 中 数 值 不 收 敛 和边 坡失 稳 自动 产 生 同时 伴 随有 限元 网 格 内节 点 的剧 烈 的位 移 接 近 真 实 安 全 系 数 时 收敛 变 得 困难 而且 位移 突 然增 加 2 2 4边坡 剪切 屈服 带计 算 经 过计算 最 大 剪应 变增 量 云图 如 图 6所 示 可 以看 出 整 个边坡 的最大 剪应 变增 量 呈 圆弧形 分 布 图 6最 大 剪 应 变 增 量 图 Fi g u r e 6 Co n t o u r o f ma x i ma l s he a r s t r a i n i n c r e me nt 在 坡脚 处 最 大剪 应力 增 量 的变形 最 大 沿着 圆弧 向 上 最 大剪 应 变增 量逐 渐减 小 3边坡处治方案 有 限元 的计 算 表 明 当 C 2 7 5 k P a 内摩 擦 角 1 8 时 边 坡 的 安 全 系 数 为 1 1 坡 脚 处 的 剪应 变增 量最 大 形 成 明显 的塑性 区 所 以对 坡脚 处 边坡 应 重 点加 固 用 喷锚 加 固可 以使 破 碎 风 化 的红 砂 岩 的完整性得到提高 锚杆的加 固力能够满足抗滑力 和 边坡 长期 稳 定性 的要 求 该 边坡 锚 固使 用 4排 锚 杆 每 级 边 坡 各 布 置两 派 间距为 2 5 m 排距为 3 m 锚杆长度分别为 7 1 0 5 1 2 1 2 5 m 根 据 计 算 的塑 性 区域 锚 杆 的有 效锚 固长度 分别 为 4 5 4 4 4 5 3 9 4 2 6 3 m 如 图 7 所 示 锚 杆直 径为 6 3 2 m m 的 2级螺 纹 钢 锚 杆 孔 直 径 为 6 3 2 mm 图 7边坡锚杆 布置图 单位 m F i g u r e 7 A n c h o r i n g d e s i g n f o r s l o p e s u n i t m 根据 公路路基设计规范 J T G D 3 0 2 0 0 4 的 规定 锚杆应该按轴心受拉杆件设计 进行锚筋面积 与有 效锚 固长度 的验算 引 设计 的 锚 固力为 F Nt s i n a fl t a m p c o s a 3 1 锚杆 设 计 时 可 以 对 钢筋 的面 积 和 有效 锚 固长 度进行 验 算 钢 筋 截面 积的 检算公 式 为 N A 2 Y 式 中 A 为钢 筋截 面 面 积 m K为 安 全 系 数 一 般 取 2 0 为 钢 筋锚 固力 k N 为 钢筋 极 限抗 拉 强 度 k P a 因为 4排 锚 杆 使 用 的钢 筋 规 格 一样 每一 根 锚 杆 提供 的锚 固力 为 K 3 1 4 1 6 1 0一 3 6 0 1 0 一 一 1 4 4 k N 3 下转 第 6 0页 6 0 公路工程 3 6卷 上接第 3 4页 1 1 程 国勇 张立 王建 华 用扭剪 波测试土样剪切 波速 的新技 术 J 岩土工程学报 2 0 0 5 2 7 3 3 5 8 3 5 9 1 2 赵 明阶 根据波 速计算 多相土石地基压实度 的理论模型 J 水利学报 2 0 0 7 3 8 5 6 1 8 6 2 3 1 3 李少波 张献 民 智胜英 路基压实度剪切波测试新技术 J 公路交通科技 2 0 0 8 2 5 3 3 2 3 7 1 4 1 5 Tr a v a s a r o u Tha l e i a Ga z e t a s Ge o r g e On t he l i n e a r s e i s mi c r e s po n s e o f s o i l s wi t h mo du l u s v a r y i n g a s a po we r o f d e p t h T h e ma l i a k o s ma r i n e c l a y J S o i l s a n d F o u n d a t i o n s 2 0 0 4 4 4 5 8 5 9 3 李少 波 张献 民 王建华 土石混填路基压 实质量无损检测技 术 J 水利水电技 术 2 0 0 7 3 8 6 5 9 6 1 上接第 3 7页 结合式 1 进行计算 钢筋抗拉强度可以提供的抗 滑力为 E 3 1 1 9 k N 2 3 2 k N 符合要求 锚杆的有效锚固长度检算公式为 K NI 而a h 订 4 式中 三为锚杆有效锚固长度 m N 为锚杆设计值 k N d为锚杆直径 m f r 6 为地层与注浆体之间的粘 结强度 k P a 根据室内试验 该地区红砂岩为泥质粉砂 岩 其 单 轴抗压 强 度 为 3 9 8 8 MP a 根 据 公 路 路 基 设 计 规范 J T G D 3 0 2 0 0 4 的分类 当 3 0 MP a f r 6 0 MP a时 可归 为较硬 岩 较硬 岩 则地 层 与注 浆 体 之间的粘结强度可取为 9 0 0 k P a 所 以式 4 中厶 9 0 0 k P a d 0 0 3 2 m K 2 5 根据计算设计有 效锚 固长 度 可 以 提供 的抗 滑力 E 2 4 5 9 k N 2 3 2 k N 符合要求 4 结束语 通 过 主动 治理 的方法 对 吉怀高 速红砂 岩边 坡进 行加 固处 理 用 较 小的工 程量 排除较 大 的工程 隐患 使用极限平衡法和数值计算方法进行综合分析 对 红砂 岩边 坡 的稳定 性 做 出 全 面 的认 识 和评 价 在确 保边坡稳定的前提下 还可以减少治理费用 参 考文献 1 李志 勇 邹 静蓉 谢 强 红 砂岩 路 堑边 坡 滑坡 分析 及 整治 J 中南公路 工程 2 0 0 1 2 6 1 1 3 2 龙健康 侯运 秋 红砂 岩路基 施工 关键 技术 J 中南