红粘土路堑高边坡加固效果的数值模拟.pdf

第29卷第3期公路交通科技V01．29No．32012年3月JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentMar．2012doi：10．3969／j．issn．1002—0268．2012．03．005红粘土路堑高边坡加固效果的数值模拟方薇，刘晓红(1．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004；2．湖南理工学院，湖南岳阳414000)摘要：为了评估某红粘土路堑高边坡实体工程的加固效果，采用有限差分程序Flac，对该红粘土路堑高边坡的加固效果进行了数值模拟，数值模拟过程严格遵循施工步骤，并考虑了不同岩土层材料属性和多种支挡结构的影响。数值分析结果表明：红粘土路堑边坡最大位移一般发生在第1级台阶顶部和坡脚桩板墙背部，失稳时边坡将主要沿着岩土层界面发生滑动。采用锚杆框架支护使坡体浅表层位移大大减小，提高了边坡中部稳定性。桩板墙是坡脚加固的有效形式，考虑到挡土板后最大水平压力和最大翘曲变形均发生在底端中部，建议在板前设置牛腿支撑。关键词：道路工程；加固效果；数值模拟；高边坡；红粘土中图分类号：U418．52文献标识码：A文章编号：1002—0268(2012)03—0022—07NumericalSimu1ationofReinforcementEfectofHighRedClayCuttingSlopeFANGWei，LIUXiaohong(1．SchoolofTraficandTransportationEn~neefing，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，ChangshaHunan410004，China；2．HunanInstituteofScienceandTechnology，YueyangHunan414000，China)Abstract：Inordertoevaluatethereinforcementeffectofaredclaybeddingslope，numericalsimulationofreinforcementeffectofthehighredclaycuttingslopewasperformedwithFlacaccordingtotheconstructionprocess，consideringtheinfluenceofdifferentlayers’materialpropertiesanddifferentretainingstructures．Theresultofnumericalanalysisshowsthat(1)maximumdisplacementgenerallyoccursattopofthefirststepandbackofsheet-pileretainingwallatslopetoe；(2)slidinghappensmainlyalongtheinterfacebetweenbedrockandredclay．Displacementofupperlayerdecreasedsignificantlyandslopestabilityincreasedwithreinforcementofframebolts．Sheet-pileretainingwallisaneffectiveapproachforreinforcementofslopetoe．ConsideringthatboththemaximumhorizontalpressureandthemaximumwarpagewillOCCULTatmidpointofretainingsheetbottom，itissuggestedtoadoptsupportbracketforpartialstrengthening．Keywords：roadengineering；reinforcementeffect；numericalsimulation；highslope；redclay外，红粘土分层现象比较明显，基岩层以上依次分0引言布着软一流塑状红粘土、硬塑状红粘土，表层的红红粘土是碳酸盐岩在热带、亚热带湿热气候条粘土如同一个厚厚的硬壳。随着深度的增加(基岩件下经过物理、化学风化和红土化作用而形成的一层上部)，土体内部的粘聚力呈现出接近线性递减的种呈褐红、棕红及黄褐等颜色的高塑性粘土。作为趋势。一种特殊粘土，它具有许多与普通粘土不同的物理由于前述原因，在开挖红粘土路堑边坡时常会力学性质，例如，随着深度的增加，其先期固结压遇到一些特殊问题，这时对其采取及时而充分的加力和超固结比减小，孔隙比增大等反剖面特性。此固措施就显得尤为必要。但是，对于这种复杂情形收稿日期：2011—10—17基金项目：国家自然科学基金项目(50778180)作者简介：方薇(1984一)，男，湖南岳阳人，讲师，工学博士．(fangwei5642366@163．coin) 第3期方薇，等：红粘土路堑高边坡加固效果的数值模拟23印如∞加m下的边坡加固效果评价，仅仅采用理论分析是不够的。自R．W．Clough1965年首次将有限元引入土挡土板石坝稳定分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步。J，它的主要优势在于有效延伸和扩展了分析人员的认知范围，为人们洞悉岩土体内部的破坏机理提供了强大的工具和有力的可视图2抗滑桩与挡土板连接形式(单位：m)化手段。本研究以某线路红粘土典型断面为例，采Fig．2Linkbetweenanti·slidepriesandretaining用有限差分程序Flac如进行数值模拟，对其加固效果planks(unit：m)进行分析与评价。开挖的4部分单独生成，如图3所示。边界条件：下部固定，左右两侧(轴方向)水平约束，前后1工程背景两端(y轴方向)水平约束，上部为自由边界。计地形地貌：坡地与谷地相间，丘坡植被发育，算收敛准则采用不平衡比率(节点平均内力与最大均为树林，自然坡度2O。～35。，谷地多辟为水田。不平衡力的比值)满足小于10的求解要求。地层岩性及地质构造：丘坡上覆红粘土呈棕红色一褐黑色，软一硬塑状，厚16～18．5m，下伏白云质灰岩，微一弱风化，岩层产状230。L55。，岩层走向与线路方向夹十__角约65。，倾角约21。。水文地质条件：地下水不发育，地下水对混凝土无侵蚀性。截面简图如图1所示。图3边坡模型Fig．3Slopemodel2．2分层效应的模拟这里的“分层”主要包括以下2方面：一是该0102030405060708090100边坡截面包括红粘土和下卧基岩层，属于顺层边坡，但为了更客观地模拟滑动面的生成，岩土体界面上图1DK1847+610断面简图(单位：m)未人为地加入接触面单元，而是通过定义不同的组孚1SchematicdiagramofsectionDK1847+610(unit：m)(group)并分别赋予不同的属性来实现模拟；二是左侧路堑边坡较高，采取的加固措施包括：1—鉴于红粘土的分层特性对其边坡稳定性有着独特的2级堑坡设框架锚杆加喷播植草防护，坡率为1：1．5，影响，在进行稳定性分析时，将其粘聚力随深度增锚杆长8m，间距3m，倾角15。；坡脚处设置C30加而呈线性变化这一性质考虑进来，使得基岩上方的钢筋混凝土路堑桩板墙，桩间距5m，桩宽2．5m，红粘土土层粘聚力随着深度的增加而逐渐递减，如图桩厚2．75m，桩长19m，桩间土板采用C30钢筋混4所示。边坡模型选取的岩土体力学参数见表1。凝土现场预制槽形板，板厚0．5m，桩板连接形式见表1边坡岩土体力学参数图2。边坡采用分级开挖，每级高8m。Tab．1Mechanicalparametersofslope2数值模型设计2．1边坡网格模型边坡采用摩尔一库仑模型，运用六面块体网格和楔形体网格构建，沿纵向取10m，共划分为20900个单元，23870个节点。为了模拟开挖的影响， 公路交通科技第29卷2．4边坡施工流程的模拟路堑高边坡的施工，是一个破坏原有力学平衡然后利用支挡加固工程重建新的力学平衡的过程，施工方法和工艺极大地影响边坡加固的效果。由于路堑边坡开挖引起的应力状态的改变将导致边坡局部应力集中，当超过岩土体自身的强度时，便会引起破坏。对于高陡边坡，若采用全断面开挖后再支挡加固的施工方法，极易导致在开挖过程中或开挖后加固工程还未来得及施工就失稳。因此，必须采用分级开挖、分级加固的方式，自上而下逐步施工，及时做好上一级边坡的防护工程后方可开挖下图4边坡粘聚力分布示意图(单位：Pa)一级边坡，设桩板墙地段，应先施工好预加固桩后Fig．4Schematicdiagramofslopecohesion再开挖边坡。具体施工流程见图6。distdbufion(unit：Pa)2．3结构单元的模拟Flac如提供了种类丰富而功能强大的结构单元模型，用以模拟岩土体与土工结构之间的相互作用。对于本例中的框架锚杆和桩板墙J，分别采用了梁单元、锚索单元、桩单元和衬砌单元模拟框架梁、锚杆、抗滑桩和桩间挡土板。结构单元参数选取见表2。框架梁与锚杆单元在连接处采用相同的节点，框架梁在共用节点处为刚性连接；挡土板与抗滑桩的连接处采用相同的节点，但不约束其绕桩身轴向的转动，如图5所示。表2结构单元参数图6边坡施工流程图Fig．6FlowchartofslopeconstructionTab．2Parametersofstructuralelements徘截撇绷慷黜瞬3分析与讨论／~：／kN(N-2ly／m4lJm4"m3．1坡体变形场图7(a)、图7(b)分别为不同支挡情况下(其他参数均相同)，红粘土路堑边坡在自重作用下达到平衡状态时，中间纵断面上(y=7．5)的位移云图。可见，不进行加固(仅仅固定边界)时，坡体变形主要发生在坡脚处，越靠近边坡后缘，变形就越小。这表明，破坏先是发生在坡脚处，继而牵动上部土体发生滑动。采取支挡和加固时，位移场有向上部移动的趋势，并且量值比无加固时大大减小，最大位移由260mill减小至90mm，发生在第l级台阶顶部和坡脚桩板墙背部。由图8(a)可见，不加固时，坡体内的剪切应变带已经从坡脚贯通至边坡后缘，潜在滑面已经形成，在此基础上，如果下滑力进一步增大，或者对抗剪强度指标进行折减，边坡将沿着这条潜在滑面图5结构单元及其连接F唔5Structuralelementsandlinks滑动，继而导致失稳破坏。同时，容易看出边坡的 第3期方薇，等：红粘土路堑高边坡加固效果的数值模拟抬升，这是因为开挖卸载使得原有的力平衡状态被破坏，坡体内部应力得到释放，在此作用下，表层土体向上回弹，至应力释放阶段的末期，测点位移达到最大值。安装框架锚杆后，即计算时步数大于2990时，表层变形明显得到控制，测点竖向位移逐步回落、减小，直至坡脚处设置桩板墙后土体再次达到稳定状态。对比图9(a)和9(b)还可以看出，位移回落最明显的部位是2级台阶的中上部，约28mm；其次是1级台阶中上部，约15～20mm；1级台阶底部回落值仅为2．6mm，这是因为该处测点离1、2级开挖坡体最远，因此受其影响微弱，回弹量也就最小。50_叵20崮1510图7平衡状态下某截面上的位移云图O(单位：mm)Fig,．7Displacementcontourofasectionin35equilibriumstate(unit：11192)童3025滑动主要是沿着岩土层界面上发生的。图8(b)表2O明，对边坡进行加固后，剪应变增量显著减小，尚螽1。5无明显滑面形成。00510152O2530354O4550时步数／(×103)(b)2级台阶图9监测点竖向位移变化曲线Fig．9Verticaldisplacementcurvesofmonitoringpoints3．2框架锚杆受力分析由于锚杆较多，同时考虑到其布置具有对称性，(a)不加固因此，对于每一副框架锚杆，都只给出图5中所标注的6根锚杆的轴力分布，数据点取自数值模拟过程中各结构构件的中点，见图10。可知：框架锚杆中的上层杆件(1、4号和1、4号)中，拉应力在外端出现最大值，越往里应力越小；对于中、下层锚杆，拉应力最大值出现在杆件中部。对于2级台阶上部框架中的锚杆，最大拉应力出现在靠坡面约4．7m处；一级台阶下部框架中的锚杆最大拉应力出图8平衡状态下边坡剪应变增量云图现在离坡面约2m处。沿边坡纵向，靠近边坡侧缘Fig．8Shearstrainincrementcontourofslopein的锚杆(1、2、3、1、2、3号锚杆)比靠近坡体equilibriumstate中部(4、5、6、4、5、6号锚杆)的锚杆受力略图9为1—2级台阶中间纵断面上3个监测点的小，但其应力分布规律是一致的。上、下部框架锚竖向位移变化曲线，由图可知，在边坡完成第1～2杆中最大拉应力分别为123．6MPa和143．3MPa，远次开挖时(此时时步数为2990)，测点处土体有所小于极限抗拉强度610MPa，表明锚杆尚有较充裕的 公路交通科技第29卷安全储备。约5m)；其后，桩身所受推力逐渐减小，在分界点Bd＼R宴捃下方表现为反向的抗滑力，抗滑力最大值(1850柏加∞∞∞∞加0加kN)出现在离桩顶15m处，接着抗滑力线性减小，在桩底处接近于0。从图l2(b)可以看出，桩身弯矩曲线呈钟形，最大负弯矩发生在距离桩顶11m处，达7099kN·m，若在桩上加设预应力锚索，将其设计成锚拉式桩板墙卜，将能有效减小负弯矩，使得桩身内力分配更为合理。图12(c)表明，桩身变形基本呈线性，桩顶向坡体外侧移动，而桩1底向坡体内部移动。可以假想为桩身在XOZ平面内1_绕着一个旋转中心转动，而这个旋转中心不在红粘皇11土一灰岩层界面上，而是位于它的下方约6．5m处，桩体本身并没有弯曲，而是呈直线倾倒状态，说明据此时桩身刚度是足够的。长度／m身水平／kN2Co)下部框架4．68图10框架中锚杆应力分布曲线．Fig．10StressdistHbufioninboltsofframe避14。图11给出了两副框架梁中纵坐标分别为Y=3—～·、目+1号(第1列)和Y=6(第2列)的2列纵肋弯矩图，20；察(a)桩身水平力曲线其中横坐标为点到该纵肋顶部的距离，可见其与-8Winkler弹性地基梁法所求的结果较为接近。仅就桩身~／(kN·m)2一弯矩量值而言，由上至下，节点处弯矩有减小的趋——势。在纵肋的中间位置上，有正弯矩出现。最大弯．1_．10-矩位于下部框架纵肋顶端，其大小为243．2kN·m。I124-、～-同一框架梁中不同纵肋的弯矩相差很小。：—．～·}窭(b)桩身弯矩桩身位移／mm-2002O406O8O100：／’l}182／／i：嚣长度／m图11纵肋弯矩图图12桩身受力及位移图Fig．11MomentdistributioninlongitudinalribsFig．12Loadanddisplacementdistributionsalongpiies3．3桩板墙受力分析图13为变形放大1000倍后绕Y轴旋转所得的图12(a)是桩身所受水平力情况示意图，两桩板墙变形情况。可见，挡土板不只是发生了平移，桩曲线基本重合，呈反s形。表明：桩身受力分为也发生了翘曲变形。沿边坡纵向，挡土板节点位移上下两段，上段受到桩后土体向下的推力作用，下均接近钟形分布，中部位移大于边缘位移，这表明段受到桩前土体的抗滑力作用，二者分界点大约在挡土板将不再是一个平面，而是向外凸起，定义变岩土交界面下方1m处。随着桩体埋深的增加，桩量=Ax／W，其中为相对变形量，为一无量纲的身所受向下的推力先增大至约1390kN(此时桩深比值，为中部节点变形量(位移)与边缘节点变 第3期方薇，等：红粘土路堑高边坡加固效果的数值模拟形量(位移)之差，为挡土板宽度。由表3可知，图可知，塑性区主要包括2种：一种是剪切屈服，底端相对变形量最大，达30．13％，约为顶端的3．4一种是拉伸屈服。剪切屈服主要发生在潜在滑面附倍，这表明挡土板底部发生了严重的翘曲。图14为近，拉伸屈服主要发生在边坡滑面后缘上方和土体y：7．5m截面上的挡土板后缘方向水平应力曲线临空面附近。进行加固后，滑面后缘的塑性变形区图，该曲线表明：挡土板后的土压力在上部3m范(包括剪切塑性变形区和拉伸塑性变形区)明显减围内增长较快，而下部2ITI范围内增长放缓，最大小，此外，桩板墙后方土体的拉伸变形塑性区有所水平压力发生在挡土板底端，大小为138．9kPa。由减小，同时处于剪切和拉伸塑性变形的区域变化不于最大水平推力和最大翘曲变形均发生在挡土板中大，其位于边坡坡脚的滑面出口处。对于剪切塑性部底端，建议在板前设置牛腿以对其进行重点加固。区，可增加锚杆长度，使锚杆深入基岩层，以达到阻断或削弱潜在滑面生长的目的；对于拉伸塑性区，可考虑增加桩、板的刚度，以减小其变形，从而约束和限制塑性区的生成和发展。器服装蠢态切屈服状态图13桩板墙变形情况(变形放大1Ooo倍后绕Y轴旋转所得)Fig．13Deformationofpile-sheetretainingwall(obatainedbyrevolvingroundYaxisafterdeformedmagnifying1000times)覆服辇装鸯态切屈服状态水平力／kPaO2040608O10o12014O160{褪瞎辚(b)加固后图14板后土压力(Y=7．5m)图15塑性区分布图Fig．14SoilpressureonbackoftheretainingFig．15Masticzonedistributionwall(J，7．5111)表3挡土板不同高度处的相对变形量4结语Tab．3Relativedeformationatdi脏rentheightsof(1)红粘土路堑边坡最大位移一般发生在第1retainingwall级台阶顶部和坡脚桩板墙背部，失稳时边坡将沿着挡土板高度／m相对变形量／％岩土层界面发生滑动。3O．13(2)采用锚杆框架支护使坡体浅表层位移大大28．1324．53减小，提高了边坡中部稳定性。框架锚杆施工工艺19．47比较简单，便于机械化施工，值得推广应用。13．87(3)桩板墙是坡脚加固的有效形式，如果加设8．93锚索，将进一步改善桩板墙受力状态，减小桩身弯3．4坡体塑性区矩和位移。考虑到挡土板后最大水平压力和最大翘图l5为加固和不加固时坡体塑性区对比图。由曲变形均发生在底端中部，建议在板前设置牛腿支 28公路交通科技第29卷撑作重点加固。的数值模拟[J]．公路交通科技，2008，25(1)：2l一26．(4)建议增加锚杆长度使其深入基岩层，以达到阻断或削弱潜在滑面生长的目的；增加桩、板的刚度，ZHANGHua，LUYang，CHENGQiang．NumericalSimulationofReinforcementforRockSlopewithRockbolt以减小其变形，从而限制塑性区的生成和发展。(AnchorCable)FrameBeam[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2008，25参考文献：(1)：21—26．References：[7]ItascaConsultingGroup，Inc．FlacUserManuals[M]．方薇，杨果林．武广客运专线红黏土变形特性的研究USA：ItascaConsultingGroupInc．2005：339—344．[J]．铁道工程学报，2008(9)：13—20．[8]TB10025-2001，铁路路基支挡结构设计规范[s]．FANGWei，YANGGuolin．ResearchontheRedClayTB10025-2001，CodeforDesignonRetainingDeformationCharacteristicsofWuhan—GuangzhouEngineeringStructuresofRailwaySubgrade[S]．PassengerDedicatedLine[J]．JournalofRailway[9]宋从军，周德培，鄢宏庆．软质岩路堑高边坡的加固EngineeringSociety，2008(9)：13—2O．与防护技术研究[J]．公路，2003(12)：76—79．[2]连镇营，韩国城，孔宪京．强度折减有限元法研究开SONGCongjun，ZHOUDepei，YANHongqing．Studyon挖边坡的稳定性[J]．岩土工程学报，2001，23TechnologyofStrengtheningandProtectingHigh—cutSlope(4)：407—411．ofSoftRock[J]．Highway，2003(12)：76—79．LIANZhenying，HANGuocheng，KONGXianjing．[10]杨明，胡厚田，卢才金，等．路堑土质边坡加固中预StabilityAnalysisofExcavationbyStrengthReduction应力锚索框架的内力计算[J]．岩石力学与工程学FEM[J]．ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，报，2002，21(9)：1383—1386．2001，23(4)：407—411．YANGMing，HUHoutian，LUCaijin，eta1．Calculation[3]赵尚毅，郑颖人，张玉芳．极限分析有限元法讲座：ofInternalForcesforPrestressedAnchorCableFrameⅡ有限元强度折减法中边坡失稳的判据探讨[J]．岩UsedinReinforcedRoadcutSoilSlope[J]．Chinese土力学，2005，26(2)：332—336．JournalofRockMechanicsandEngineering，2002，21ZHAOShangyi，ZHENGYingren，ZHANGYnfang．Study(9)：1383—1386．onSlopeFailureCriterioninStrengthReductionFinite[11]富海鹰，何昌荣．新型预应力锚拉式桩板墙的原型观ElementMethod[J]．RockandSoilMechanics，2005，26测分析[J]．岩土工程学报，2005，27(9)：1050—(2)：332—336．1054．[4]UGAIK．AMethodofCalculationofTotalFactorofSafetyFUHaiying，HEChangrong．PrototypeMeasurementsofaofSlopesbyElaso-plasticFEM[J]．SoilsandNewPrestressedSheet—pileRetainingWall[J]．ChineseFoundations，1989，29(2)：190—195．JournalofGeotechnicalEngineering，2005，27(9)：[5]夏元友，张亮亮．考虑降雨人渗影响的边坡稳定性数1050—1054．值分析[J]．公路交通科技，2009，26(10)：27—[12]何昌荣，李彤．新型预应力锚拉式桩板墙的三维有限32．元计算分析[J]．岩石力学与工程学报，2003，22XIAYuanyou，ZHANGLiangliang．NumericalAnalysison(5)：843—848．HighwaySlopeStabilityConsideringRainfallInfiltrationHEChangrong，LITong．3DFEMAnalysisonNew·style[J]．JournalofHighwayandTransportationResearchandPrestressedAnchorSheet—pileRetainingWall[J]．Development，2009，26(10)：27—32．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，[6]张华，陆阳，程强．岩质边坡锚杆(索)框架梁加固2003，22(5)：843—848．