【《降雨入渗下不同支护方案的高速公路边坡稳定性分析案例》8400字】

降雨入渗下不同支护方案的高速公路边坡稳定性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u3728降雨入渗下不同支护方案的高速公路边坡稳定性分析案例 189751.1概述 1147041.2数值模型建立 1260191.2.1计算分析流程 146631.2.2数值模型建立 2152021.2.2模型参数选取 2112301.2.3模型边界条件及网格划分 4277481.3不同支护方案的边坡稳定性分析 5130751.3.1开挖未支护的边坡稳定性分析 5193751.3.2支护方案1的边坡稳定性分析 8275391.3.3支护方案2的边坡稳定性分析 16326871.3.5依托工程支护方案优选 251.1概述根据依托项目的降雨条件下软岩边坡稳定性数值分析结果，降雨历时72h后的边坡稳定安全系数小于1.20，边坡处于失稳状态，需设置一定的工程支护措施，改善坡体的受力条件，确保软岩边坡稳定性安全。根据依托工程概况，本文软岩开挖边坡采用两种支护方案进行对比分析，即支护方案1为：预应力锚杆+框架梁，支护方案2为：预应力锚杆+框架梁+抗滑桩。由于软岩开挖支护边坡长期在自然环境影响下，土体内部物理、化学性质随水和温度的影响而变化，特别是在降雨条件下，软岩边坡易受到严重的影响，因此，为了保证软岩边坡的整体稳定性，故本文通过对比降雨入渗前后的两种支护方案的边坡稳定性分析，最终选择最佳的支护方案，为工程实践提供参考。1.2数值模型建立1.2.1计算分析流程采用Abaqus软件进行软岩边坡开挖支护稳定性分析，分析流程通常为：（1）建立模型结构，则边坡土体二维模型为可变行实体结构、预应力锚杆二维模型为可变行线型结构、框架梁二维模型为可变行线型结构及抗滑桩二维模型为可变行实体结构；（2）设置模型材料及截面特性；（3）定义材料系数；（4）设置土层强度指标参数随场变量Fr的变化，且场变量变化系数为0.5～3；（4）装配结构部件；（5）定义分析步，设置分析步参数；（6）定义接触，即定义土体、预应力锚索、框架梁和抗滑桩相互间的接触；（7）定义荷载、边界条件，即包括初始应力、位移边界和重力荷载等；（8）划分网格，选择对应的网格单元类型；（9）提交任务，结果分析。1.2.2数值模型建立本文在依托项目中选取K7+060段进行软岩边坡开挖支护稳定性分析，设置模型的侧向高度为54m，水平方向投影为100m，前缘投影为20m，后缘坡顶宽度为40m，边坡坡度统一为1:1，划分成四级边坡得到边坡模型示意图如图1.1所示。图1.1边坡模型示意图1.2.2模型参数选取根据室内物理力学实验结果与勘察资料，结合以往试验经验，得到以下软岩边坡岩土体物理力学参数如表1.1所示。表1.1软岩边坡岩土体物理力学参数表类型容重泊松比弹性模量内摩擦角粘聚力渗透系数γ(KN/m3)μΕ(MPa)φ(°)с(KPa)Kws/(m/s)碎石粘土19.00.23157322.821.59.14×10-6强分化细砂岩18.50.262800026.423.26.50×10-6中分化细砂岩19.50.293000028.327.66.28×10-6抗滑桩24.00.2130000———预应力锚杆21.00.2114000———框架梁21.00.2222500———预应力锚杆的总长度包括为锚固段长、自由段长和外锚段长，根据实践工程经验，预应力锚杆长度一般取9m、12m、15m、17m等规格。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB50086-2015规范规定：预应力锚杆在土层上的锚固长度应大于4.0m，且在岩层中锚固应不小于2.0m，而预应力锚杆自由段长度不小于1.0m，倾斜锚杆的锚固角应为15°～35°；为了减小群锚效应，锚杆水平间距应大于1.5m，垂直间距应大于2.0m。所以结合依托项目，本文设置预应力锚杆的长度取为15m，顶梁和底梁不布置预应力锚杆，且第四级边坡不设置预应力锚杆，设置为植草防护，所采用预应力锚杆为Ф32，预应力锚杆布置的水平间距为2.5m，上下排垂直间距为2.5m，每级边坡布置3排，则预应力锚杆框架梁简图如图1.2所示。图1.2预应力锚杆框架梁简图倾斜锚杆的锚固角计算为式（1.1）所示：（1.1）式（1.1）中：β——锚杆的锚固角；φ——坡体的内摩擦角；α——坡体的内滑面倾角。根据工程勘察数据，本文坡体内摩擦角φ值为22°，坡体内滑面倾角α为30°，即倾斜锚杆的锚固角β为26°，但考虑到经济、抗滑效果问题，根据工程经验，结合依托项目的工程地质条件和施工条件，则倾斜锚杆的锚固角β取为20°。根据大部分实际工程经验，再结合依托项目的工程地质条件和施工条件，框架梁采用现浇钢筋混凝土，断面尺寸为0.3m×0.3m，采用钢筋类型为HPB300、HRB400，混泥土为C25。结合依托项目的工程概况，考虑到边坡高度较高，坡面上岩土体较厚，故本文抗滑桩布置设置根据依托项目施工图与国家规范一般要求，为了避免桩间土挤出，且本文边坡滑体完整，故圆形截面抗滑桩最小的桩心间距宜取2.5倍桩的直径，为此本文根据工程经验要求，综合考虑经济合理、安全可靠，故抗滑桩的桩心间距为5m，桩长为20m，桩直径为1.5m，布置在一级边坡上。1.2.3模型边界条件及网格划分1.模型边界条件有限元数值计算分析，需要定义一些模型边界条件和初始条件，比如：预定义场的初始应力、位移边界等。为了更好模拟边坡稳定性分析，模型需要设置边界条件有以下：（1）初始应力：本文模型的初始应力条件从上一步分析结果的分析步、增量步和文件导入进去。（2）位移边界：本文为了约束模型，故约束模型左右和底部方向上相应的位移。2.模型单元网格划分为使模型能够进行稳定性分析，故在模型单元网格划分中需合理的划分，本文针对不同的稳定性分析模型，模型单元网格划分可分为：边坡土层模型单元和抗滑桩模型单元采用CPE4(四节点平面应变单元)；框架梁模型单元采用B21(二维线性梁单元)，预应力锚杆模型单元采用T2D2(二维线性桁架单元)。1.3不同支护方案的边坡稳定性分析1.3.1开挖未支护的边坡稳定性分析为考虑软岩边坡开挖未支护状态下的稳定性，故本文取K7+060段进行软岩边坡稳定性分析，则软岩边坡开挖未支护模型示意图如图1.3所示图1.3模型示意图而软岩边坡开挖未支护的模型网格单元类型为CPE4，网格节点总数为845，网格单元总数为783，则边坡开挖未支护的模型网格示意图如图1.4所示。图1.4网格示意图数值计算结果分析：1.滑动面变化分析边坡滑动面变化一般通过边坡位移变化图和塑性应变变化图来反映，其中边坡位移变化图包括位移等值线图、水平位移增量图及位移矢量图，故本文以数值计算结束时的塑性应变和位移变化图来描述软岩边坡开挖未支护的滑动面变化，则数值计算结果分析的塑性应变等值线图、位移变化图分别如图1.5、图1.6所示。图1.5塑性应变等值线图a)位移等值线图b)位移增量图c)位移矢量图图1.6位移变化图由图1.5塑性应变等值线图可见，塑性区域已呈现贯通形态，且已遍布整个临空面后面的坡体，说明此时软岩边坡已处于失稳状态。由图1.6(a)的位移等值线图和图1.6(b)的位移增量图可见，软岩边坡开挖未支护后的坡体已在坡脚周边区域出现了较大位移变化，说明坡体出现了变形；同时由图1.6(c)的位移矢量图可知，坡体的滑动方向顺向坡脚处，故根据位移变化图可判断出边坡变形的滑动面位置，显然边坡位移变化的区域与图1.5塑性应变等值线图中呈贯通状态的塑性屈服破坏区基本一致，表明边坡开挖后的坡体呈现一定的滑动变形。2.安全系数分析根据数值计算结果分析，得到场变量FV1随水平位移U1的关系曲线图如图1.7所示。图1.7FV1与U1的关系曲线图本文结合强度折减法的基本原理，根据边坡失稳判断依据，由图1.7的FV1与U1的关系曲线图可知，软岩边坡开挖未支护的稳定安全系数Fs为1.305。虽然边坡稳定安全系数Fs大于1.30，满足边坡稳定性基本要求，但考虑对自然边坡进行大范围开挖，且又未对边坡进行支护，以致使边坡坡脚位置处失去支撑作用，从而坡体亦发生滑移，再结合上文中分析降雨对软岩边坡的影响，故需对开挖边坡进行支护，保证软岩边坡的整体稳定。1.3.2支护方案1的边坡稳定性分析本文在软岩边坡开挖支护前基础上进行支护，而采用支护方案1：预应力锚杆+框架梁，这种支护结构方式主要由预应力锚杆和框架梁共同作用，来自锚杆的预应力由外到内传递，之后将力传递到被锚固的坡体中，从而起到坡体加固支护作用；由于支护方案1中的预应力锚杆与框架梁为一整体，框架梁将紧密连接锚杆，以致促进各锚杆和框架梁间作用的联系，从而使支护方案1在边坡抗滑作用中达到最大成效，则有效加固整体边坡的稳定性。根据支护结构的特性，以及结合模型的建立经验，为使模型单元网格能更好的划分，则本文模型的预应力锚杆和框架梁将不采用实体单元，而是采用二维线性平面单元，因此，本文模型在设置模型材料及截面特性选型中，将预应力锚杆和框架梁的截面分别设置为桁架单元类型和梁单元类型，则支护方案1加固下的边坡模型示意图与边坡模型网格示意图分别如图1.8、图1.9所示。图1.8边坡模型示意图图1.9边坡模型网格示意图由图1.9中边坡模型网格示意图，模型网格单元类型为CPE4（四节点平面应变单元），其中模型网格单元数1171，网格节点数1249。数值计算结果分析：1.降雨入渗前的边坡稳定性分析（1）滑动面变化分析边坡滑动面的变化一般通过边坡位移变化图和塑性应变变化图来反映，其中边坡位移变化图包括位移等值线图、水平位移增量图及位移矢量图，故本文以数值计算结束时的塑性应变和位移变化图来描述软岩边坡在支护方案1加固下的滑动面位置，则数值计算结果分析的塑性应变等值线图、位移变化图分别如图1.10、图1.11所示。图1.10塑性应变等值线图a)位移等值线图a)位移增量图a)位移矢量图图1.11位移变化图由图1.10塑性应变等值线图清晰可见滑动面的位置，呈大致的圆弧状，通过坡脚点，但坡体没有出现整体圆弧状滑动面，表明支护方案1有效阻止了边坡向下滑动变形。从图1.11位移变化图能够明显的看出，软岩边坡在支护方案1加固下的滑动面位置呈大致的圆弧状，且通过坡脚点，与塑性应变等值线图一致；由1.11(a)位移等值线图与1.11(b)位移增量图可知，相比开挖未支护状态，边坡脚周边区域位移值有显著的降低，表明支护方案1对软岩边坡起到了较好的加固作用，有效阻止了边坡向下滑动变形，边坡整体稳定性得到改善。（2）锚杆性状分析根据数值计算结果，给出了软岩边坡在支护方案1下的边坡位移变化图和锚杆应力图分别如图1.12、图1.13所示。a)位移等值线图b)位移增量图图1.12位移变化图图1.13锚杆应力分布图从图1.12边坡位移变化图可知，支护方案1的预应力锚杆使边坡形成一体，降低了边坡脚周边区域位移值，有效阻止了坡体向下滑动变形。倘若坡体出现滑动，则会在锚杆与土体接触的薄弱面发生冒顶破坏（上部土体塌落）。而从图1.13的锚杆应力分布图得知，预应力锚杆显示的轴应力为正，则布置预应力锚杆后使坡体能充分发挥锚固抗拉性能，从而能够有效阻止了边坡土体发生变形。而最后一排锚杆所承受的轴应力最大，因为越靠近坡脚位置的应力越大，表明锚杆承受的轴应力越大。（3）安全系数分析通过数值计算分析，得到场变量FV1随水平位移U1的关系曲线图如图1.14所示。图1.14FV1与U1的关系曲线图本文根据强度折减法的基本原理，以及边坡失稳的判断依据，由图1.14的FV1与U1的关系曲线图可知，以位移拐点作为评价标准，故软岩边坡在支护方案1加固下的稳定安全系数Fs为1.576，与边坡开挖未支护下稳定安全系数相比，安全系数Fs明显有较大的提升，表明软岩开挖边坡在支护方案1的加固下有效阻止了坡体向下滑动变形，以致边坡整体稳定性提高。2.降雨入渗作用下的边坡稳定性分析为了分析降雨对软岩开挖支护边坡的影响，故以软岩开挖边坡在方案1加固下的基础上，进行降雨入渗作用下的边坡稳定性分析，通过数值计算分析，分析在降雨强度为30mm/h历时72h后的坡体孔隙水压力变化、边坡位移变化及安全系数变化规律。（1）孔隙水压力变化分析通过数值计算分析，得到边坡在降雨强度为30mm/h条件下，不同历时条件下的孔压分布云图如图1.15所示。由图1.15可知，在降雨历时72h后，雨水不断入渗到坡体内，以致边坡土体内的含水率增加，孔隙水压力发生了增量变化，孔隙水压力逐渐增加，而土体的基质吸力逐渐减少。但随降雨减少时，饱和度增加，孔隙水压力减少，且岩土体的基质吸力又缓慢增加。与边坡开挖未支护时的孔隙水压力相比，坡体内孔隙水压力增量变化较小，这是由于软岩边坡在支护方案1加固下，降低了边坡坡体内孔隙水压里的变化。a)降雨历时24h孔压分布云图b)降雨历时48h孔压分布云图c)降雨历时72h孔压分布云图图1.15孔压分布云图（2）边坡位移变化分析根据数值计算分析，得到降雨历时72h后边坡水平位移变化图如图1.16所示。图1.16边坡水平位移变化图由图1.16边坡水平位移变化图可知，软岩边坡的坡脚并没有发生较大的水平位移变化，而水平位移最大值区域出现在坡顶的小范围，与软岩边坡开挖未支护时的边坡水平位移相比，边坡的整体稳定性得到有效的改善。由此可见，由于预应力锚杆与框架梁的共同作用，坡脚处的水平位移受到了约束，并未有发生较大的变形。（3）安全系数变化分析根据数值计算分析，得到软岩边坡在支护方案1加固下的边坡稳定安全系数随降雨历时变化图如图1.17所示。图1.17边坡安全系数随降雨历时变化图由图1.17边坡安全系数随降雨历时变化图可知，软岩边坡在支护方案1加固下，降雨历时72h时的边坡稳定安全系数为1.318，大于1.20，故边坡属于稳定状态，与边坡开挖支护前的安全系数对比，边坡安全系数提高30.4%。由此可见，软岩边坡在支护方案1加固下，不仅提高软岩边坡的整体稳定性能，还有效的降低雨水对边坡入渗侵蚀的影响。1.3.3支护方案2的边坡稳定性分析本文在软岩边坡开挖支护前基础上进行支护，而采用支护方案2：预应力锚杆+框架梁+抗滑桩。根据多数工程实践经验，针对复杂的软岩边坡，抗滑桩能够有效的、经济的和安全的解决困难问题。抗滑桩的锚固效果主要是依靠桩周的岩体与桩的相互牵制作用，之后把桩后侧的土压力传递给岩体层中，再利用岩体层的锚固作用使边坡达到稳定的效果，在结合预应力锚杆与框架梁的结合作用，从而起到更有效的加固支护作用。本文根据模型的材料参数，建立支护方案2的软岩边坡二维稳定性分析模型，本文模型在设置模型材料及截面特性选型中，将预应力锚杆和框架梁的截面分别设置为桁架单元类型和梁单元类型，而抗滑桩为实体单元，则支护方案2加固下的边坡模型示意图如图1.18所示。图1.18边坡模型示意图进入模型划分网格，模型单元类型为CPE4（四节点平面应变单元），其中模型网格单元数1046，网格节点数1145，则支护方案2加固下的模型网格示意图如图1.19所示。图1.19边坡模型网格示意图数值计算结果分析：1.降雨入渗前稳定性分析（1）滑动面变化分析图1.20塑性应变等值线图a)位移等值线图b)位移增量图c)位移矢量图图1.21位移变化图本文以数值计算结束时塑性应变和位移变化图来描述边坡在支护方案2加固下的滑动面位置，则数值计算分析的塑性应变等值线图、位移变化图分别如以上图1.20、图1.21所示。由图1.20塑性应变图能够看出边坡滑动面位置，呈大致的圆弧状，通过坡脚点，但坡体没有出现整体圆弧状滑动面，表明支护方案2有效阻止边坡向下滑动变形。从图1.21位移变化图能够看出，边坡在支护方案2加固下的滑动面位置呈大致的圆弧状，且通过坡脚点，与塑性应变等值线图一致；由1.21(a)位移等值线图与1.21(b)位移增量图可知，相比开挖未支护状态，边坡脚周边区域位移值有显著的降低，也表明支护方案2对软岩边坡起到了较好的加固作用，有效阻止了边坡向下滑动变形，边坡整体稳定性得到改善。（2）锚杆性状分析根据数值计算分析结果，得到软岩边坡在支护方案2下的边坡位移变化图和锚杆应力分布图分别如图1.22、图1.23所示。a)位移等值线图b)位移增量图图1.22位移变化图图1.23锚杆应力分布图从图1.22边坡位移变化图可知，支护方案2的预应力锚杆使边坡形成一体，降低了边坡脚周边区域位移值，有效阻止了坡体向下滑动变形。而从图1.13锚杆应力分布图得知，预应力锚杆显示的轴应力为正，则布置预应力锚杆后使坡体能充分发挥锚固抗拉性能，从而能够有效阻止了边坡土体发生变形。（2）抗滑桩性状分析根据数值计算分析结果，给出了软岩边坡在支护方案2下的抗滑桩位移分布图、抗滑桩应力分布图及桩身土压力图分别如图1.24、图1.25及图1.26所示。由图1.24抗滑桩位移变形分布图看出，抗滑桩的变形模式为中长桩变形模式，该变形模式特征为：桩的上部出现弯曲变形，而下部锚固情况较好。图1.24抗滑桩位移变化图图1.25抗滑桩应力分布图图1.26桩身土压力图见图1.25抗滑桩应力分布图和图1.26的桩身土压力图，由两图中可以看出，从抗滑桩顶部以下深度大概为5m间的土压力（接触压力）几乎没有，这是由于土体的滑动以致土体和抗滑桩脱离。而在土体深度14m前，抗滑桩后的土压力要大于抗滑桩前的土压力，在土体深度14m后，抗滑桩前的土压力要远大于抗滑桩后的土压力，这与抗滑桩的变形分布情况和岩土刚度密切相关。（3）安全系数分析通过数值计算分析结果，得到场变量FV1随水平位移U1的关系曲线图如图1.27所示。图1.27FV1与U1的关系曲线本文根据强度折减法的基本原理，以及边坡失稳的判断依据，由图1.27的FV1与U1的关系曲线图可知，以位移拐点作为评价标准，故软岩边坡在支护方案2加固下的稳定安全系数Fs为1.466，与边坡开挖未支护下稳定安全系数相比，安全系数Fs明显有较大的提升，表明软岩开挖边坡在支护方案2的加固下有效阻止了坡体向下滑动变形，以致边坡整体稳定性提高。2.降雨入渗作用下的稳定性分析为了分析降雨对软岩开挖支护边坡的影响，故以软岩开挖边坡在支护方案2加固下的基础上，进行降雨入渗作用下的边坡稳定性分析，分析在降雨强度为30mm/h条件下，历时72h后的坡体孔隙水压力变化、边坡位移变化及安全系数变化规律。（1）孔隙水压力变化通过数值计算分析，得到软岩边坡在降雨强度为30mm/h条件下，不同降雨历时条件下的孔压分布云图如图1.28所示。a)降雨历时24h孔压分布云图b)降雨历时48h孔压分布云图c)降雨历时72h孔压分布云图图1.28孔压分布云图由图1.28孔压分布云图可知，边坡在降雨历时72h后，雨水不断入渗到土体内部，以致边坡土体内的含水率逐渐增加，孔隙水压力也逐渐增加，而土体的基质吸力逐渐减少。但当降雨减少时，饱和度增加，孔隙水压力减少，而土体的基质吸力又渐渐增加。与边坡开挖未支护时的孔隙水压力相比，坡体内孔隙水压力增量变化较小，这是由于支护方案2加固下，特别是坡脚周围的雨水受到抗滑桩的阻挡，从而降低了边坡坡体内孔隙水压里的变化。（2）边坡位移变化根据数值计算分析，得到降雨历时72h后边坡水平位移变化图如图1.29所示。图1.29边坡水平位移变化图由图1.29边坡水平位移变化图可知，软岩边坡的坡脚并没有发生较大的水平位移变化，而水平位移最大值区域出现在坡顶的小范围，与软岩边坡开挖未支护时相比，边坡的整体稳定性得到有效的改善。由此可见，由于抗滑桩作用，坡脚处的水平位移受到了约束，再结合预应力锚杆和框架梁的共同作用，使得坡体的水平位移受到了一定的约束，并未发生较大位移变化。（3）安全系数变化根据数值计算分析，得到软岩边坡在支护方案2加固下的边坡稳定安全系数随降雨历时变化图如图1.30所示。图1.30边坡安全系数随降雨历时变化图由图1.30边坡安全系数随降雨历时变化图可知，软岩边坡在支护方案2加固下，降雨历时72h时的边坡稳定安全系数为1.312，大于1.20，属于稳定状态，与边坡开挖未支护的安全系数对比，边坡安全系数提高29.8%。由此可见，软岩边坡在支护方案2加固下，不仅提高软岩边坡的整体稳定性能，还有效的降低雨水对边坡入渗侵蚀的影响。1.3.5依托工程支护方案优选根据以往工程经验，边坡支护方案应选择一种既能够有效加固边