岩质边坡群锚失效的数值模拟研究

岩质边坡群锚失效的数值模拟研究

1锚固边坡的破坏在边板结构的情况下，边坡坍塌结构可以动员更大范围的岩石和岩石体的自承能力。其实质是将预测量固结在岩体中，增加岩体的抗滑力，减少滑动力，稳定岩体。然而,预应力是随岩体的变形而变化,在张拉初期,预应力即发生一定的损失,在使用过程中,预应力将伴随岩体中的温度、岩体蠕变、钢材松弛及地下水等因素的变化而变化。此外在复杂的服役环境中锚及锚固体还将受到载荷作用及各种突发性外在因素的影响面临损伤积累的问题,继而导致各种形式的锚失效:粘结破坏;锚固件拉断;锚固件在滑动面处或者节理面处的剪切破坏;锚空失效等。单锚和群锚的失效自然会使边坡回到不加固或少加固的状态,从而影响岩土结构的稳定,使工程安全受到威胁。国内外对预应力锚索长期作用下加固效果及边坡稳定性劣化过程的研究较少。滞后的理论研究导致施工中或完工后都出现了不同程度的锚固边坡失稳事故。锚固边坡一旦出现破坏,既严重阻塞交通,又破坏环境景观和生态平衡,给国家和人民经济造成巨大损失。本文拟针对典型岩质边坡,通过数值模拟试验,研究预应力损失和锚失效在群锚中引起的荷载转移现象,探讨锚失效对边坡稳定性、安全性带来的影响及其危害程度,为锚固失效后的边坡综合处治措施提供工程设计依据。2岩单元划分及支护某路堑边坡,坡高10m,坡面角约45°。边坡潜在滑动面两侧为中等风化砂岩和强风化砂岩。经过对边坡进行稳定性分析,若不加固,存在滑坡破坏的可能。为改善边坡的稳定性,采用锚索加固方案。坡体中间布置三排锚索,上排锚索长7.5m,中下排锚索长8.1m,锚索与水平面的倾角取为10°,锚索截面积为0.01m2。采用ADINA分析模块,计算整体结构的变形和浅层砂岩的滑动,并分析锚索失效对边坡稳定性影响。约束边坡左侧水平位移及底部竖直位移,施加自重荷载和坡顶均布荷载。重力零时刻完全施加并永远保持不变,坡顶荷载则由零线性增加至最大值。岩土单元划分采用2DSolid中的4节点平面应变单元,接触处定义为2D-Planar接触组;锚索选择为Truss单元类型,且指定为Rebar组。计算模型定义大位移、小应变的几何非线性特征,共有569个深层岩石单元,202个表层岩石单元,62个锚索Truss单元,2个2D-Planar接触面。模型采用的材料参数如表1所示。3群锚受力分析以坡顶荷载1600kN/m,且三排锚索均未施加预应力为例,模型网格划分及计算结果如下所示。图1显示出坡顶荷载分布、边界约束、滑动面法向及三排锚索在坡体中的布置情况。图2为坡体总位移分布云图,强风化砂岩顶部位移最大,达59.8mm,而深层岩体中位移较小,仅4.5mm。锚索对滑动面接触组交界处的位移有约束作用,其值显著小于相邻岩体中的位移。图3为锚索轴向受力的大小和分布,轴力沿锚长的分布极不均匀,滑动面处应力集中系数大。群锚中上排索轴力大于中排索,中排索大于下排索。锚索宜布置于尽可能高的位置,可充分发挥强度高的材料性能。坡体上部的索由于承担的荷载较大,可能会先于其它部位出现失效。图4为滑动面接触界面反力,最大值829kN,位于上排索和中排索之间,此处滑面的抗滑力最大。4模拟单锚失效条件为计算锚索失效对边坡稳定性的影响,共考虑了六种工况:①三排索预应力均为400MPa;②三排索预应力均为200MPa;③三排索均无预应力,以上三种工况可模拟锚索预应力的逐渐损失;④下排锚完全失效,锚固件拉断或在滑动面处剪切破坏,不再提供抗滑力,仅剩上中二排索承载;⑤中排锚完全失效,仅剩上下二排索承载;⑥上排锚完全失效,仅剩中下二排索承载,以上三种工况模拟单锚失效位置变化、锚力变化对群锚的影响。表2为坡顶荷载1600kN/m时,不同锚索布置方案的坡体位移,锚索轴向力和接触界面反力均取最大值。锚索初始预应力为400MPa,当其损失一半时,锚索最大轴力由3195kN降为2366kN,降幅较大,到预应力完全损失时,最大轴力变为2305kN,变化不大。可见,预应力损失的最初阶段对锚索轴力影响较大,此后轴力逐渐趋于稳定。深部岩石中的锚索轴力降幅大于表层岩体,即预应力损失主要影响位于滑动面以下的锚固端,同时滑面的抗滑力由于接触反力的降低也随之减小。计算表明,锚索长度进一步增加,对轴力分布影响不大。在预应力损失的整个过程中,边坡位移仅有数毫米的增长。一旦坡体中的某一排锚索完全失效退出工作,下滑推力重新分布,剩余锚索的轴力及坡体位移将大幅增长。特别是承担较大荷载的上排索对约束坡顶竖向位移效果显著,下排索对约束坡脚水平位移效果显著,一旦这两处的锚索失效,对边坡稳定性影响较大,而中排锚失效相对安全。5锚索失效引起的稳定性超载法(超载储备定义)是有限元及有限差分确定安全系数的方法之一:Kp=PfPd(1)Κp=ΡfΡd(1)式中:Kp为安全系数;Pf为最大坡顶荷载;Pd为边坡安全系数取为1.25且三排锚索均无预应力时,对应的坡顶荷载(2084kN/m)。不同锚索布置方案下的边坡承载力如表3所示。当锚索初始预应力为400MPa时,边坡安全系数达到1.52;预应力完全损失时,边坡安全系数为1.25,降幅21.6%。此后,随着不同位置锚索的相继失效,安全系数大幅降低,特别是上排索首先失效所引起的坡顶荷载降幅最为明显(安全系数变为0.81),此时,上排索退出工作,仅中下二排索继续承载,其轴力也大幅增加。如中排索不堪重负,随即失效的话,边坡中将仅剩下排一根索,安全系数变为0.06,坡体沿中等风化-强风化岩石结构面发生滑动。边坡安全系数随预应力损失和各种形式的锚失效呈加速下降的趋势。图5反映了锚索失效引起安全系数降低的变化过程,图中横轴括号中的数值为锚索初始应变值。在工况③变为工况④的过程中,下排索首先失效,最大坡顶荷载由2605kN/m变为2550kN/m,坡体位移显著增大,此时剩余锚索轴力大幅增加,滑面接触反力增加20%,下滑力向滑面和剩余锚索转移。由此可见,边坡中的下排索虽然对提高边坡承载力作用不大,但对于协调抗滑力在群锚中的分布、稳定坡脚十分有益。在工况③变为工况⑤的过程中,中排索首先失效,最大坡顶荷载由2605kN/m变为1810kN/m,锚索轴力和坡体位移变化最小,滑面接触反力增加25%,坡体承载力有较大降低,反映出中排索主要起固腰的作用。在工况③变为工况⑥的过程中,上排索首先失效,最大坡顶荷载由2605kN/m变为1680kN/m,坡体承载力降幅最大,竖向位移和锚索轴力增幅最大,滑面接触反力降低16%,位于中排索和下排索之间的滑面的接触反力增大,滑面承担的部分荷载也向锚索转移,属最不利工况。由此可见,上排索能提供较大抗滑力,遏制坡顶张裂缝的形成,在群锚中的作用举足轻重。6由于先后失败，重负荷分布6.1载保持的情况图6为上排索预应力由200MPa降到零的过程中(坡顶荷载保持1600kN/m不变),其轴力的变化情况。可见,最大轴力位置通常出现在锚索与滑面的交界处,预应力的损失仅引起锚固端轴力的减小,对轴力沿锚索的分布状态影响甚微。6.2b认为变m不变m图7为上排索失效后中排索轴力变化情况(坡顶荷载保持1600kN/m不变)。上排索失效后,边坡由三排锚结构变为二排锚结构,上排索原先承担的荷载发生转移,中排索轴力最大值由1841kN变为3679kN,增长近1倍,但轴力沿锚索的整体分布形态基本不变。6.3锚固端偏力值图8为上排和中排索相继失效后下排索轴力变化图。上排索失效后,下排索轴力最大值由1501kN变为1931kN,增长29%,且轴力峰值向锚固端偏移。若中排索继续失效,坡体中只剩下排一根索时,坡顶荷载由1600kN/m卸荷至115kN/m,最大轴力降为798kN,坡体发生滑动。7抗滑力分析(1)预应力损失的最初阶段对锚索轴力和边坡承载力的影响较大,锚固端尤其明显,增加锚索长度对轴力分布影响不大,预应力损失引起边坡位移的变化较小。(2)通过对坡体各点不均匀卸荷和阶段蠕滑的全过程力学性态测试,揭示了上排索提供较大抗滑力,遏制坡顶张裂缝的形成,中排索固腰、下排索稳定坡脚,协调抗滑力在群锚中分布的规律。(3)坡体中的某一排锚索失效将导致下滑推力重新分布,剩余锚索的轴力及坡体位移将大幅增长,但轴力沿锚索的整体分布形态基本不变。承担较大荷载的上排索对约束坡顶