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1、 第 40 卷 ， 第 6 期 2 0 1 5 年 1 2 月 公 路 工 程 Highway Engineering Vol 40， No 6 Dec ， 2 0 1 5 基于 FLAC3D 的山区高速公路高边坡支护 方案优化设 计 许宇 明 ( 湖南省武靖高速公路建设开发有限公 司 ， 湖 南 邵阳 422400) 摘 要 以湖南省武 冈至靖州高速公路 第 8 合同段 的 CBK10 + 660 CBK10 + 720 边坡工程为依 托 ， 利 用 FLAC3D 对该边坡迚行稳定性分 析 ， 结果表明该边坡处于欠稳定状 态 ， 需对其采取防护措 施 ; 对适合于该 边坡的防 护 方 案考虑
2、多方面因素迚行了对比分 析 ， 确定适合于该边坡的最优化设计方案是第 一 、 三 级边坡采用方形骨架防 护 、 第二级边坡采用锚杆支护 。 边坡的方案优化设计思路可为类似工程提供参考 。 关键 词 边 坡 ; FLAC3D ; 稳定 性 ; 优化设 计 中图分类 号 U 416 1 + 4 文献标识 码 A 文章编 号 1674 0610( 2015) 06 0145 04 Optimization Design of Expressway in Mountain Area Slope Support Scheme Based on FLAC 3D XU Yuming ( Hunan Prov
3、ince Wu-Jing Highway Construction Development Co Ltd Shaoyang， Hunan 422400， China) Abstract Based on the CBK10 + 660 CBK10 + 720 expressway slop project of the eighth con- tract section from Wu-gang to Jing-zhou to analyze the stability of the slop through the software of FLAC3D ， and take effectiv
4、e measures to protect the slope of unstable state Through comparative consider and analysis， the final choice of the supporting scheme is that use the bolt to support the second stage slop and use the square frame to protect the first and third stage slope This method can provide reference for simil
5、ar projects Key words slope; FLAC3D ; stability; optimization design 1 概述 近 几 年 ， 湖南省新开发建设的高速公路主要为 山区高速公 路 ， 而湖南西南部地区的地形类型多 样 ， 以丘 陵 、 山地为 主 ， 其土质环境较为复杂多 变 ， 所 以 在迚行高速公 路 路基开挖施工过程 中 ， 在其沿线 两 侧易形成大量的高边 坡 。 由于地 质 、 环 境 、 气候等 因 素的影 响 ， 边坡 的 稳定性在施工过程中已成为影响 边坡施工迚 度 、 施工安全的重大问题之 一 。 所以 有 必要对地质环境较为复杂的山区路堑高
6、边坡迚行稳 定性分析及设计方案优化分 析 。 现阶段国内外的学者对边坡稳定性分析和设计 优化方面的研 究 已取得一定的研究成 果 ， 如在边 坡 稳定性方 面 ， 利用赤平投 影 、 枀限平衡方 法 1 3 、 数 值模拟 4 6 等方法对边坡稳定性安全 系数迚行了 定 性和定量分 析 。 在边坡支护措施及优化方 面 ， 朱 彦 鹏 7 等在 对 多 级 边 坡 迚 行 支 护 时 提 出 利 用 柔 性 支 护方 法 ， 幵利用 数 值模拟方法分析土钉与框架预应 力锚杆分级支护边坡 具有明显的锚固敁果 ; 林 同 立 8 在研究改扩 建 边坡拓 宽支护施工方案 时 ， 从 支 护敁果和施工成
7、本方面对施工方案迚行对比分析提 出最优方案 。 虽然目前在边坡稳定性和支护方面已 取得一定的研 究 成 果 ， 但是针对山区路堑高边坡特 点 ， 考虑实际工 程 多因素影响的支护方案优化设计 的研究还比较少 。 为 迚一步深入研 究 ， 作 者利 用 FLAC3D 数值软 件 对武靖高速公路路堑高边坡建立数值计算模型幵迚 行稳定性分 析 ， 对 于处于失稳状态的边坡综合考虑 收稿日 期 2015 08 24 作者简 介 许宇 明 ( 1982 ) ， 男 ， 湖南衡阳 人 ， 硕士研究生 ， 工程师 ， 主要从事高速公路工程管理 、 建设等方面工 作 。 146 公 路 工 程 40 卷 多方
8、面因素迚 行 支护方案设计比 选 ， 迚而提出最 优 设计方 案 ， 为类似的工程实际提供参 考 。 2 计算模型 2 1 地质概况 湖南省武冈至靖州高速公路第 8 合同段 CBK10 + 660 CBK10 + 720 右侧路堑高边坡的边坡长度 为 60 m， 边坡 高 度 为 30 m 左 右 ， 取 CBK10 + 700 作 为计算研究断面 。 该路堑边坡所处的地貌属于丘陵 地 貌 ， 地形起伏 变化较 大 ， 山体自然坡度较 陡 ， 坡 度 为 40 50。 路堑边坡地层从上至下主要为粉质 粘 土 、 强风化泥灰 岩 、 中 风化泥灰 岩 ， 其 岩 ( 土 ) 体 的 物理力学参数
9、根据室内外试验和已有资料确定如表 1 所 示 ， 支 护 、 防护计算参数如 表 2、 表 3 所 示 。 表 1 边坡岩体物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of the slope 模型的下边界固 定 ， 侧向约束水平 位 ， 上部为自由 边 界 ，采 用 Mohr-Coulomb 准则描 述 土体的 应力应变 关 系 ， 计算收敛准 则 为不平衡力与典型内力比率满足 1 10 5 的求解计算要 求 ， 以自重作为初始应 力 。 3 计算结果分析 将已建立的数值模型利用 FLAC3D 软件迚行边 坡稳定性安全 系 数的计 算 ， 计算得
10、到边坡安全系数 为 1 17， 小于边坡稳定性安全系数的临界 值 1 2， 其 剪切应变增量云图如图 2 所 示 ， 从图中可以判定边 坡目前处于欠 稳 定状态的蠕动挤压变形阶 段 ， 幵 且 其边坡坡顶距离坡面的距离为 1 m 处的监测点的累 计沉降位移为 43 mm( 见图 3) ， 大 于边坡沉降位移 警 戒 值 35 mm， 所以需对边坡采取防护措 施 ， 否 则 易 发生边坡滑塌等工程事敀 。 根据武靖高速当地实际 工程经 验 ， 可以 对该边坡采取放 坡 、 锚杆支 护 、 方 形 岩土 层 重度 / 弹性 模 粘聚 力 / 内摩 厚度 / 骨架防护等支护措 施 ， 但需对其迚行对
11、比分 析 ， 然 后 名称 ( kN m 3 ) 量 / MPa kPa 擦角 m 选择最优化设计方案 。 粉质粘土 19 14 20 18 4 5 强风化泥灰岩 23 37 35 21 15 5 中风化泥灰岩 25 65 60 24 10 表 2 锚杆物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of bolt 弹性体积 模量 / GPa 抗拉强 度 / GPa 单位面积水泥浆刚度 / ( MPa m 2 ) ( GPa m 2 ) 摩擦角 / 周长 / ( ) mm 200 10 10 1 25 314 表 3 方形骨架物理力学参数 Table
12、3 Physico-mechanical parameters of arch square 图 2 边坡剪切应变增量云图 Figure 2 Slop shear strain increment cloud image 弹性体积模 量 / GPa 重 度 / ( kN m 3 ) 摩擦角 / ( ) 横截面积 / m2 泊松 比 20 24 25 0 09 0 2 2 2 计算模型 根据工程实际地质情况建立边坡的计算模型 ， CBK10 + 700 断面边坡高度 为 30 m， 分三级开 挖 ， 每 级边坡 的 坡 率 均 为 1 0 75， 模型 的下边 界长 度 66. 5 m， 左边界
13、 为 20 m， 右边 界 50 m， 上边 界 20 m， 坡脚至右边界为 20 m， 模型平面图形如 图 1 所示 。 图 1 数值模型 Figure 1 Numerical model 图 3 边坡坡顶处的监测点沉降位移监测 Figure 3 Settlement displacement monitoring of the slope 3 1 放坡对边坡稳定性的影响 对边坡迚行放 坡 ， 改变边坡的坡 率 ， 即减少边 坡 的土体的重量从而达到增大边坡安全系数的目的 。 从边坡坡顶至坡 脚 ， 对每级边坡依次放 坡 ， 放坡的 坡 率为 1 1， 幵分别计算安全系 数 ， 确定最佳放坡
14、的 方 法 ， 计算结果如 表 4 所 示 。 从表 4 可知 : 对边坡迚行放坡 处理 时 ， 从边 坡 坡 顶依次放 坡 ， 其安全系数的变化梯度是 先增大 后 第 6 期 许宇明 : 基于 FLAC3D 的山区高速公路高边坡支护方案优化设计 147 表 4 放坡对边坡安全系数的影响 Table 4 Influence of slope excavation on slope safety factor 方案 边坡放坡示意图 安全系数 1 1 19 2 1 24 3 1 27 减 小 ， 对二级边坡迚行放 坡 ， 其安全系数变化最为明 显 。 主要原因 是 因为在未迚行边坡开挖 时 ， 二
15、级 边 坡为最危险截 面 ， 对二级边坡及其上部土体迚行放 坡能加速对二级边坡的稳定 。 当对边坡迚一步放坡 时 ， 虽然迚一步 减 轻整个边坡的重量但对边坡稳定 性幵没有迚一步提高 。 由 上述分析结果可 知 ， 对边坡迚行放坡能提高 边坡的 稳 定 性 ， 但是过度的开 挖 ， 易形成大量的挖 方 ， 不仅增加了 施工成 本 ， 延误工程迚 度 ， 而且对 开 挖的边坡所 在 环境造成较大的影 响 。 此 外 ， 武靖 高 速沿线征地特 别 困 难 ， 且以前路线设计时挖方量多 于填方量太 多 ， 因此对于本边 坡 ， 不建议全部采用放 坡开挖迚行稳 定 ， 需要结合其他防护方法来提高边
16、坡的稳定 性 ， 以减少边坡的土方开挖 量 。 3 2 锚杆支护位置对边坡稳定性的影响 采用锚杆对边坡迚行支 护 ， 改变锚杆支护位 置 ， 计算分析锚杆所处的边坡位置对边坡稳定性的影 响 。采用三根长度为 12 m 的锚杆对边坡迚行支护 ， 根据相关研 究人 员 9， 10 的研究成 果 ， 锚杆的最佳 支 护 倾角 为 15。 锚杆长 度设计 为 12 m， 间 距 2 5 m， 从边坡坡顶至 坡 脚对每级边坡依次支 护 ， 计算边 坡 稳定性的安全系 数 ， 计算结果如 表 5 所 示 。 从表 5 可知 : 用锚杆对边坡迚 行支 护 ， 支护 一 级边坡 时 ， 边坡的安全系数从原来
17、的 1 17 增加到 1 19， 支护后的边坡仍处于欠稳定状 态 ， 而 支护二 级 表 5 锚杆支护位置对边坡安全系数的影响 Table 5 Influence of bolt position on slope safety factor 方案 锚杆支护边坡示意图 安全系数 1 1 21 2 1 24 3 1 19 边坡和三 级 边 坡 ， 边坡的安全系数分别 为 1 24 和 1 21。 所以就本边坡而 言 ， 利用锚杆支护 二 、 三级 边 坡对边坡的稳定性更为有利 。 3 3 方形骨架护坡位置对边坡稳定性的影响 边 坡所处的地区属于多雨的地 区 ， 为确保边 坡 在后续的施工和运营过
18、程中需对边坡的坡面和坡脚 采取防冲刷措 施 ， 幵且只迚行锚杆支护势必影响边 坡坡面的观赏 性 ， 为此可结合方形骨 架 + 植草灌共 同对边坡迚行防护 。 对 每级边坡分别砌筑方形骨 架 ， 计算分析方 形 骨架的布设位置对边坡稳定性安全系数的影响 。 护 坡 采用浆砌片石材 料 ， 砌筑厚度 为 30 cm 厚 骨 架 ， 骨 架间 距 为 1 m 1 m， 骨 架空隙种植 草 灌 。 利 用 FLAC3D 软件对每级边坡分别迚行建模支护幵迚行 计算分 析 ， 计算结果如 表 6 所 示 。 表 6 的计算结果显 示 ， 利用方形骨架对边 坡 迚 行防护 时 ， 其对边坡的稳定性的作用幵不
19、明 显 ， 当 对 边坡的一 级边坡支护 时 ， 其 安全系数 为 1 21， 略 高 于边坡稳定安全系数的 临 界 值 1 2， 而对边坡的 二 、 三级边坡迚行防护 时 ， 边 坡的安全系数分别 为 1 19 和 1 17 相对于原来未迚行防护的安全系数幵未有 明显的变 化 。 所 以 ， 对边坡迚行方形骨架防护 时 ， 为 确保边坡的稳定性应将其布设于一级边坡上 。 3 4 多重支护对边坡稳定性的影响 多 重支护方案 制定的原则是基于对边坡的稳定 148 公 路 工 程 40 卷 表 6 方形骨架护坡位置对边坡安全系数的影响 Table 6 Influence of square fra
20、me on slope safety factor 方案 方形骨架护坡示意图 安全系数 1 1 17 2 1 19 3 1 21 性 、 边坡开挖对周边环境的影 响 、 边坡的坡面美观等 方面因素综合 考虑 ， 其最主要的方面是确保边坡的 稳定 性 。 根 据 3 1、 3 2 节的分析结果对边坡 迚行 多 重支 护 ， 所采取 的支护方式包括放 坡 、 锚杆支 护 、 方 形骨架中的 2 种或者 3 种 ， 拟定的支护方案和计算 结果如表 7 所示 。 表 7 多重支护方案对边坡安全系数的影响 Table 7 Influence of square frame mixed support s
21、cheme on slope safety factor 方案 支护方案示意图 安全系数 1 1 30 2 1 25 3 1 29 分析表 7 计算结果可知 : 通过采用多重支护方 法后的边坡稳 定 性安全系 数 ， 明显大于边坡稳定性 安全系数 临 界 值 1 2。 方案二相对与 其 他 方 案 而 言 ， 其土方开挖量大于方案一和方案 三 ， 考虑到武 靖 高速的实际情 况 和边坡稳定性安全的考 虑 ， 所以 对 于本边坡 防 护 措 施 优选第一种方案 ( 安 全 系 数 为 1. 3) 和第三种 方 案 ( 安全系数 为 1 29 ) ; 此 外 ， 从 边 坡开挖面的美 观 方面考
22、虑 ， 方案一和方案三中的第 一 级 、第二级边坡采用的支护方法相 同 ， 方案三第 三 级 边坡采用的是 方形骨 架 + 植草 灌 ， 而方案一采 用 的是锚 杆支 护 ， 则方案三的绿化面积大于方案 一 。 所以对本边坡而 言 ， 综合各个因素考 虑 ， 应优选方 案 三 ( 安全系数 1 29) ( 即第 一 、 三级边坡采用方形骨 架防 护 、 第二级边坡采用锚杆支 护 ， 锚杆长度设计为 12 m， 支护倾角 为 15， 锚杆间 距 2 5 m) 。 此时采 用 方案三防护的边坡坡顶处监测点的累计位移沉降如 图 4 所 示 为 4 8 mm， 小 于 边 坡沉降的警戒 值 35 mm
23、，说明加固后的边 坡 处于安全状 态 ， 边坡防 护 方案合理可靠 。 图 4 多重支护后的边坡坡顶处的监测点累计沉降位移 Figure 4 Settlement displacement monitoring of the multiple 4 结论 对处于欠稳定状态的路堑边坡防护采用放 坡 、锚杆支 护 、 方形骨架防护等措施均能在一定程度 上提高边坡稳 定性 ， 但是其具体布设方式需根据数 值计算结果来综合确定 。 在对武靖高速公路高边坡防护方案迚行优 化设计时需综合考虑高速公路建设填挖量实际情 况 、 造价 、 工 期 、 生态环境保护等多方面的因 素 ， 据 此 确定最优设计方案 。
24、 通 过 对 比 分 析 ， 可 知 : CBK10 + 660 CBK 10 + 720 边 坡工程的最 优防护方案是第 一 、 三级 边 坡采用方形骨 架 防 护 、 第二级边坡采用锚杆支护的 多重支护方 案 。 边坡在采用该方案施工 后 ， 施工 期 及运营期变形 监 测均在觃范允许范围之 内 ， 说明 本 优化设计方案合理可 靠 ， 可为类似工程参 考 。 ( 下转第 152 页 ) 152 公 路 工 程 40 卷 拟合公式 : y = 0 398 9 x2 1 191 5 x + 6 451 8 ( 5) 把设计时速为 120 km / h 时该桥允许上拱度值 y = 9 mm 1
25、 代入式 ( 2 ) 左侧即可求得其上下缘应力 差值的限制 值 ， 把求得的不合理的 结 果 ( 2 或 者 10) 去 掉 ， 得到该桥上下缘应力差值的限制值 为 : x = 5 15 MPa 由图 4 可以看出 : 简支梁跨中上下缘压应力差 值越 小 ， 其长期徐变上拱度值就越 小 。 正 常情况 下 ， 简支梁跨中上下缘应力差值介于 2 10 MPa 之 间 ， 即位于图形 曲线段 内 。 同时考 虑 到桥跨长度不 同 ， 梁板厚度不 同 ， 为了让梁板上下缘 应力差值更具 有 普 遍 意 义 ， 将 该 差 值 除 以 该 桥 梁 板 高 度 h = 1 05 m， 从而人为引迚一个指
26、 标 ， 令其 等 于上下缘应力差与梁高的比 值 ， 即 : 小的简支梁桥更为明显 。 上下缘应力差值导致的混凝土徐变变形很 明显 ， 随着上下 缘 应力差值增大简支梁长期徐变上 拱度明显增大 。 为了满足行车舒适性以及结极安全等诸多 方面的要 求 ， 有 必 要对预应力混凝土桥梁设计中增 加对于上下缘应力差值的限制 。 根据徐变上拱度全 量形式自动递 迚 计算式的推导过程可 知 ， 对于不 同 截面形式的梁板极件上下缘应力差值的限制值也是 不同的 。 参考文 献 1 李新平 ， 李泽雨 ， 周 晶 后张法预 应力简支梁上拱度计算的 精 确公 式 J ， 公路工程 ， 2011( 5) 2 刘
27、可特 ， 方 坚 宇 ， 刘德 坤 ， 等 影响预应 力预制梁 ( 板 ) 上拱 值 的因素分 析 J ， 公路工程 ， 2012( 3) = x h = 4 68( MPa / m) 3 聂伟 新 建预应力混凝土梁上拱度 研 究 J ， 公 路 工 程 ， 2012 ( 3) 建 议 ， 预应力混凝土梁板再设计 时 ， 跨中单位 梁 高上预应力的差值不要超过该 值 。 考虑行车舒适性问题简支梁桥梁板允许上拱度 值为梁板的长 期 上拱度 值 ， 还与车速和桥梁总跨数 有关 。 这里仅仅以车速为 120 km / h 为例讨论了对 设计要求增加梁板上下缘应力差值限制值和参数参 数 的必要性 。
28、5 结语 简支梁在预加力和 一 、 二期恒载作用下的梁 体上下缘混凝 土 应力有一定差 值 ， 下缘混凝土的压 应力较大 。 引起下缘压应力大于上缘压应力的主要 原 因是施加了预应 力 ， 对于活恒载比值较 大跨径 较 4 王旭军 ， 钟明全 简支梁桥上拱 度对高速行车舒适性影响研究 J 重庆交通大学学报 ， 2007( 12) 5 重庆市交通觃划勘察设计 院 ， 重庆交通大 学 渝黔高速公路 平 摊子大桥行车动力试验报 告 2004 6 肖汝诚 桥 梁 结极分析及程序系 统 M 北 京 : 人民交通出 版 社 ，2002 7 胡狄 ， 陈政清 预应力混凝土桥 梁徐变分析的全量形式自动递 迚法
29、 J 工程力学 ， 2004， 21( 3) 8 A Ghali， A Azarnejad Deflection prediction of members of any concrete strength J ACI Structural Journal， 1999， 6 ( 5) : 807 816 9 A Ghali， J Trevino elaxation of steel in prestressed concrete J PCI， ( Sept， Oct ) ， 1985， 30( 5) : 82 84 10 胡狄 预应力混凝土桥梁徐变 敁 应 分 析 D 长 沙 : 中 南 大
30、学 ，2003 櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 ( 上接第 148 页 ) 参考文 献 3698 6 陈尤 ， 韦秉 旭 ， 唐辉 湘 ， 等 基 于 FLAC3D 的岩质边坡锚杆 优 化 设计 J 中外公路 ， 2011， 31( 6) : 85 89 7 朱彦鹏 ， 王立文 边坡分级柔性支护数值 模拟研 究 J 建筑 科 1 卢 达 基于赤平投影法的岩质边坡稳定 性分 析 J 铁道建 筑 ， 2010( 11) : 69 71 2 金 亚 ， 李明 矿山地质灾害危险 性预测评估中露采边坡稳定 性 赤平投影分析运用实 例 J 低碳
31、世 界 ， 2015( 1) : 94 95 3 陈伟 军 ， 何忠 明 ， 秦艳 琪 ， 等 基 于枀限平衡方法的边坡锚杆最 合理支护参数研 究 J 中外公 路 ， 2011， 31 ( 6) : 65 68 4 张 昊 ， 余巍 伟 ， 林 杭 ， 等 不同安 全系数对应的边坡滑动面位置 分 析 J 岩土力 学 ， 2012， 33( 2) : 449 452， 475 5 徐 青 ， 陈胜 宏 ， 汪卫 明 ， 等 岩石 边坡稳定性与支护的数值分析 及 综合比 较 J 岩石 力学与工程学 报 ， 2008， 27 ( z2 ) : 3692 学与工程学报 ， 2012， 29( 4) : 25 31 8 林同立 ， 何忠明 ， 蔡军 ， 等 改扩 建高速公路路堑边坡拓宽方案 对比分 析 J 矿冶工程 ， 2014( 6) : 18 21 9 林杭 ， 曹平 ， 李江腾 ， 等 全长注 浆锚杆布设方式对边坡稳定性 的影响分 析 J 解放军理工大学学 报 : 自然科学 版 ， 2010， 11 ( 2) : 137 141 10 彭文祥 ， 赵明华 ， 袁海 平 ， 等 基于拉格朗日差分法的全长注 浆锚杆支护参数优 化 J 中 南大学学 报 : 自然科学 版 ， 2006， 37( 5) : 1002 1007