岩质高边坡支护优化设计

HYDROPOWERANDNEWENERGY总第93期TotalNo.93

文章编号:1671-3354(2011)01-0053-03

岩质高边坡支护优化设计

毕󰀁辉,徐文东

1

2

(1.湖北工业大学土木工程与建筑学院,湖北武汉󰀁430068;2.中南建筑设计院股份有限公司,湖北武汉󰀁430068)

摘要:结合石家庄至武汉铁路客运专线岩质高边坡工程实例,利用ANSYS有限元软件数值模拟对其进行稳定性分析。

对各种支护方案在开挖后岩质高边坡应力场、位移场分布以及抗滑桩应力进行比较分析。结果表明:边坡开挖后,框架梁锚杆(索)支护显著地减小了边坡的水平位移,改进了应力场的分布,减小了抗滑桩的水平位移,有效地增强了岩质高

边坡的稳定性。

关键词:框架梁;锚杆(索);边坡稳定性;有限元;抗滑桩中图分类号:TV554.12󰀁󰀁󰀁文献标志码:A

TheOptimumDesignofHighRockSideSlopeSupport

BIHui,XUWendong

1

2

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,UniversityofTechnology,Wuhan430068,China;

2.Central󰀁southArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430068,China)

Abstract:TakingtheprojectofhighrocksideslopesupportonthespecialpassengertrainrailwayfromShijiazhuangto

Wuhanasanexample,astabilityanalysisismadewithdigital-analogueofANSYSfiniteelementsoftware.Thestressfieldofhighrocksideslope,distributionofdisplacementfieldandthestressofanti-skidpilesarecomparedandana󰀁lyzedincaseofdifferentsupportschemes.Theresultsshowthathorizontaldisplacementofsideslopeisreducedappar󰀁entlybyframegirderandanchorrodsuppor,twhilethestabilityofhighrocksideslopeisincreased.Keywords:framegirder;anchorrod;stabilityofsideslope;finiteelemen;tanti-skidpile󰀁󰀁边坡工程是目前工程建设活动中的重要部分,其中岩质边坡的破坏与失稳是岩土工程的重大灾害之[1]

一。在岩质高边坡工程中,支护结构形式以及开挖路线设计对整体工程稳定性起着决定性作用。为了保持岩质高边坡的稳定性,在很多情况下采用单纯的抗滑桩支护或采用单纯的锚杆(索)支护往往是难以实现或者是不经济的,而采用框架梁锚杆(索)加上抗滑桩支护体系能形成整体工作的复合体,使之能有效地限制边坡的水平和竖向位移,保证整个边坡工程的稳定性。

本文对石家庄至武汉铁路客运专线岩质高边坡进行数值模拟计算,进而对该岩质高边坡各种支护加固方案优化对比,其研究分析成果为高速铁路及公路岩质高边坡支护加固设计提供技术资料与参考。

997.07至DK1127-085.27,边坡属于丘坡地貌,地形起伏较大,自然坡度约为20󰀂~40󰀂。工程地质岩层主要为石英片岩,灰白色、青灰色等,弱风化,裂隙较发育,岩芯多呈现柱状、长柱状,少许脆块,饱和强度为20.48MPa。设计上采取放坡开挖及开挖后跟进式及时支护,由上至下分两次开挖。支护方案见图1,主要包括: 一级边坡坡率为1:1.25,采用长20m预应力框架锚索防护,锚索孔径为110mm,间距3.0m,锚索自由段长10m,锚固段长10m,倾角15󰀂,锚索有4根󰀁15.2钢绞丝组成,锚索设计吨位500kN,锚孔采用M35水泥砂浆灌注,框架内采用喷混植生防护。!二、三级边坡坡率分别为1:1.5、1:1.75,二、三级边坡都采用长12m框架梁锚杆防护,锚杆孔径70mm,单孔分别采用2根直径25mmHRB335钢筋,间距3.0m,锚孔采用M30水泥砂浆灌注,框架内采用挂网喷混植生防护。在第二次开挖之前坡脚部位设置截面长方形尺寸2.25m∀2.5m、深度14m的抗滑桩,其中抗滑

1󰀁工程概况

石家庄至武汉高速铁路客运专线DK1126-收稿日期:2010-07-29

作者简介:毕󰀁辉,男,硕士研究生,从事结构加固与诊断研究。

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水电与新能源2011年第1期

桩嵌固深度为7m。3-1级坡面的岩体,第二次开挖铁路路面的岩体。因此通过单元激活杀死来模拟计算3种支护加固方案下从坡顶到坡脚分级开挖的应力场、位移场分布,以及锚杆(索)、抗滑桩体的内力变化。

表2󰀁岩体及桩的计算参数

材料类别岩体

重度/(kN#m-3)

2725

弹性模量

/Pa4.5E+93E+10

泊松比0.250.20

粘聚力/MPa750-内摩擦角/(󰀂)45-

图1󰀁边坡断面支护示意图

桩

󰀁󰀁方案一:从坡顶开挖到3级边坡人工放坡不进行支护。

方案二:开挖从坡顶开挖到3级边坡坡面,放坡坡率为1:1.5,进行锚杆支护,进行抗滑桩支护,在坡面采用锚索支护。

方案三:开挖从坡顶开挖到3级坡面,放坡坡率为1:1.5,进行框架梁锚杆支护,在坡面支护上采用框架梁锚索支护。

图2󰀁有限元单元网格划分

2󰀁岩质边坡的有限元模拟

2.1󰀁单元类型和计算参数

按照实体单元模拟石家庄至武汉铁路客运专线岩

质高边坡,见图2。模型x,y方向的范围为50m∀98m。整个高边坡模型划分为5528个单元。计算时高边坡岩质视为理想弹塑性材料,不产生硬化,不考虑体积变形,符合Drucker-prager准则

[2-6]

3󰀁模拟计算稳定性的比较分析

3.1󰀁各种工况的位移场分析

首先计算模型在初始地应力场下的变形和位移,再计算得到开挖后的变形和位移减去初始地应力场下的变形和位移为实际值。比较三种设计方案开挖后支护效果,3-2级纯锚杆支护(方案二)的坡面部位水平位移较无支护(方案一)减小33%,1级坡面有预应力锚索加固支护,坡脚水平位移减小了45%;框架梁锚杆支护(方案三)较无框架纯锚杆支护(方案二)在3-2级坡面水平位移减小了约为15%,由于设置刚度较大的抗滑桩,故一级坡面脚水平位移较方案二减小约37.5%;由于方案二、方案三开挖路线相同,区别在于方案三设置框架梁,方案二的一级坡面坡脚水平位移较方案三减小约为30%。从上述比较说明,在边坡支护设计中,锚杆锚索能有效地限制边坡水平位移,设计框架锚杆,锚索对限制边坡水平位移又有进一步改善,在滑动面设置抗滑桩能较大范围内限制边坡水平位移。

2

。岩体、桩

体均采用4节点四边形(plane42)进行模拟,在各级边

坡附近由于坡度较小,产生不规则的模型网格,因此坡面附近不规则的模型网格采用6节点三角形单元(plane2);由于框架梁可能承受拉、压、弯作用,即采用单轴单元(Beam3);锚杆、锚索采用link1单元。模型的边界条件为两侧边界水平位移约束,下侧边界竖直位移约束,模型顶部为自由边界,荷载条件为自重应力场;根据岩石力学试验数据并利用工程处理方法得到岩体、锚杆(索)、框架梁等计算参数,见表1、表2。

表1󰀁锚杆、锚索、框架梁力学参数

材料类别锚杆锚索框架梁

弹性模量/Pa1.95E+112.05E+113E+10

泊松比0.250.250.21

截面面积/m0.98E-37.255E-40.09

3.2󰀁不同设计方案锚杆(索)受力分析

梁与锚杆(索)相结合支护结构形成一整体较方

案二、方案一有明显改进。从Ansys后处理中调出link1单元轴向力,从图3和表3中可以看出,框架梁锚杆(索)支护(方案一)时比较纯锚杆支护(方案二),3级边坡锚杆拉力增加约为35%,2级边坡锚杆

2.2󰀁边坡模拟计算方案

边坡开挖自上而下,分两次开挖,第一次开挖

54毕󰀁辉,等:岩质高边坡支护优化设计2011年1月

图3󰀁边坡的开挖水平位移云图

表3󰀁锚杆、锚索拉力

边坡级数构件编号方案二时构件拉力方案三时构件拉力

197.2145.2

3级边坡上锚杆

2107.5146.7

3111.7147.3

1109.7147.2

2级边坡上锚杆

2120.9148.1

3122.7148.4

1304.2323.4

1级边坡上锚索

2310.5323.9

3316.3324.4

kN󰀁

拉力增加约为20%,1级边坡锚索拉力增加5%。计算数据表明,由于框架梁与锚杆(索)相结合整体加固边坡,使其加固结构材料得到更充分利用。3.3󰀁方案二、方案三抗滑桩位移比较分析

从Ansys后处理中调出抗滑桩单元轴水平位移,从图4中可以看出,方案三桩顶端水平位移为4.9mm,桩顶水平位移最大,桩身水平位移随着深度的增加逐渐减小,减小到嵌固段后出现拐点,在嵌固段

以下水平位移随着深度的增加逐渐增加,但增加曲线较平缓。

方案二桩身水平位移变化曲线与方案三大致相似,方案二桩顶水平位移较方案三有所增大,这是由于方案三设置框架梁锚杆(索),锚杆限制框架梁向外位移,共同作用减小边坡整体水平位移,因此方案三在静力作用下边坡水平位移较方案二减小。

4󰀁结󰀁语

对岩质高边坡开挖的有限元模拟表明,在开挖工程中,边坡稳定性与位移场、应力场密切相关,边坡产生破坏,常常出现相当大的水平位移和竖向位移以及应力集中现象。通过框架梁与锚杆(索)相结合的方式,形成一整体结构支护加固高边坡,显著地减小了边坡的水平位移和竖向位移。同时使整个加固构件材料得到充分利用,减小了坡脚部位抗滑桩的应力峰值和水平位移。可见,框架梁锚杆(索)共同支护结构能增强边坡的整体稳定性。参考文献:

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图4󰀁桩身水平位移

2005,26(2):332-336.

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