福建某路塹高邊坡加固效果數值模擬探析

林燕紫

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

滑坡是在工程建設活動中比較常見的災害之一，一旦發生，可能給社會帶來不可預計的財產損失甚至危及相關人員生命安全，妨礙工程的順利進行[1]。所以在施工過程中，需要對可能出現不穩定跡象的邊坡進行處治，防止滑坡形成?；炷量蚣芎皖A應力錨索可以最大限度減少對土體的擾動，有效阻止邊坡下滑變形，保證邊坡達到目標安全系數，因此被廣泛用于邊坡的治理[2]。

近年來，眾多專家與學者采用多種科學方法對邊坡加固效果進行研究，取得了一系列研究成果。其中，數值模擬作為一種高效、方便的分析工具，被廣泛應用在各種工程領域，可以通過建立與實際工況較一致的模型來分析抗滑治理措施的效果。趙越躍[3]以邊坡為研究對象，采用PLAXIS 3D數值模擬為研究手段，分析植被根系形態、植物根系密度、植被生長位置三大因素對自然邊坡穩定性的影響；馬寧[4]針對貴州的高路塹邊坡特點，應用有限元數值模擬計算在抗滑樁加固下的邊坡穩定性系數，并且對結果進行分析和優化處理。胡其志[5]利用MIDAS/GTS 分析了微生物注漿邊坡在不同降雨強度、不同降雨持時的穩定性。結果表明，微生物注漿對提高邊坡穩定性具有明顯的促進作用。汪洋[6]采用Abaqus 軟件模擬分析分析格構梁錨桿聯合支護邊坡的可行性，證明格構梁錨桿聯合支護能夠有效抑制土坡內部的塑性應變區的擴大,減小滑坡體位移,顯著提高邊坡安全系數。為了研究框架+預應力錨索對高邊坡的加固效果，依托福建某道路工程沿線存在的大量高邊坡，建立有限元模型對加固效果進行分析，以期對后續該地區路塹高邊坡的治理對策起一定的指導作用。

1 工程概況

福建省某在建道路工程共有5個標段的高邊坡防護工程分別為①BK0+055～BK0+245段左側，最大高度約為22.06 m；②BK0+430～BKO+600段左側，最大高度約為10.50 m；③BK0+916.05段左側，最大高度約為12.50 m；④BK0+650～BK0+900段右側，最大高度為32.00 m；⑤BK1+035～BK1+145段右側，最大高度約為31.33 m。

本文選取BK1+100斷面右側挖方高邊坡為研究對象。該邊坡分成三級，各級高度分別為10 m，10 m和11.33 m，第一、二級設計邊坡坡率1∶0.6，第三級設計邊坡坡率1∶1.25。邊坡安全等級為二級，重要性系數γ=1.0。該斷面剖面如圖1所示。

圖1 BK1+100斷面右側挖方高邊坡斷面剖面圖

根據場地巖土工程勘察報告場地土層自上而下：

素填土，松散狀態，厚度為0.5 m～3.5 m；

卵石，中密狀態，厚度為0.8 m～3.6 m；

粉質粘土，可塑狀態，厚度為0.5 m～9.9 m；

粉砂巖殘積粘性土，可塑狀態，厚度為3.2 m～22.2 m；

砂土狀強風化粉砂巖，偏硬，厚度為4.2 m～18.2 m；

碎塊狀強風化粉砂巖，偏硬，厚度為3.9 m～30.81m。

2 設計方案

在針對該路塹高邊坡進行支護設計以及具體實施過程中，必須與實際情況有效結合，并采取針對性措施，實現對整個工程質量的有效控制。該路塹高邊坡采用從上至下分臺階開挖和支護施工，施工完成后共分為三級臺階。

2.1 一級、二級邊坡支護設計

第一級、二級邊坡高度均為10 m，坡率均為1∶0.6。此兩段邊坡均采用框架+預應力錨索進行支護。每個臺階以上邊坡開挖后，修坡，施工相應臺階的錨索支護。錨索支護邊坡自上而下開挖，分層開挖深度2.5 m，施工第一排錨桿(索)及框架梁。錨固體強度大于20 MPa并達到設計強度的80%后，鎖定第一排預應力錨索。施工第二排錨桿(索)及框架梁，待錨索注漿后再施工仰斜排水管。依次類推，分層開挖分層施工預應力錨索、框架梁和仰斜排水管，然后張拉鎖定。排水溝溝底應向排水方向傾斜大于0.3%。

2.2 三級邊坡支護設計

第三級邊坡高度為11.3 m，設計坡率為1∶1.125。該段邊坡采用植草防護，應清除坡面浮石和松土，夯實坡面，坡面應進行修整，夯實，使坡面大致平整。放樣劃線，挖骨架溝槽，用M10砂漿砌筑漿砌片石骨架，完成骨架護坡施工后，配合景觀設計，在骨架內鋪草皮。鋪種草皮后應經常灑水，使坡面經常保持濕潤，直到草皮成活。草皮護坡要經常養護，大雨過后應檢查護坡是否完整，如發現局部坍塌或裂紋，應及時采取補救措施，以防病害擴大。

3 數值模擬分析

3.1 數值模型

應用Midas-GTS-NX對該路塹高邊坡進行數值模擬，整個模型長95 m，高60 m；巖土體共分為5層，采用Mohr-Coulomb本構模型，土層的物理力學參數見表1；框架采用梁單元模型，錨索采用線彈性本構模型，植草防護等效為土工格柵；邊坡在自然狀態下僅受重力。邊界條件:上部是自由邊界,左右兩側為水平約束,底部固定。圖2為邊坡二維有限元模型。

圖2 邊坡二維有限元模型

表1 材料參數表

3.2 結果分析

3.2.1 邊坡塑性區結果分析

邊坡的塑性區分布是坡體應力重分布的結果，能夠反映邊坡是否發生失穩破壞現象。圖3～圖4分別為邊坡的初始應力狀態和施加支護后的塑性區分布云圖。

如圖3所示，在邊坡進行支護前的初始狀態，塑性區分布面積較大，主要集中在砂土狀強風化粉砂巖處，基本貫穿整個邊坡。其中一級邊坡坡腳處塑性應變最大，為4.46×10-2是邊坡最危險的滑動巖層的等效塑性區。此外，從圖中可以看出邊坡在初始應力狀態下存在潛在的圓弧滑動帶。圖4為完成支護后的邊坡塑性區分布云圖，從圖中可以看出，在完成支護后邊坡塑性區面積有所減小，且不再呈現出圓弧滑動帶。塑性區分布僅出現在一級邊坡的坡腳處，且塑性區最大應變為9.4×10-3，仍處于一級邊坡坡腳處。但總體來說，在完成支護后，塑性區應變最大值減少近80%，整體塑性區分布面積與應變大幅減小。說明支護結構發揮了很好的抗滑要求，坡體發生滑動的概率大大減小了。

圖3 初始應力狀態下邊坡塑性區分布圖

圖4 支護后邊坡塑性區分布圖

3.2.2 邊坡水平位移結果分析

如圖5所示，為模型位移提取點位置。在極限平衡狀態，邊坡的最大水平位移與最大豎向位移決定著邊坡是否發生失穩破壞。模型水平位移計算結果如圖6～圖8所示。兩種狀態下的邊坡水平位移均呈現出“U”型槽變化，并且出現在粉砂巖殘積粘性土中。在實施加固措施后，“U”型槽深度明顯減小，且相應的水平位移值也大幅減小。從所有測點來看，相比于初始狀態的較大波動。邊坡加固后的水平位移值變化不大。

圖5 邊坡位移值提取位置

圖6 無加固邊坡水平位移云圖

圖7 加固后的邊坡水平位移云圖

圖8 兩種狀態下邊坡水平位移云圖

從圖7中可以看出，測點1～6之間加固后的邊坡位移，相比于初始狀態變化較大，且完成支護結構后邊坡水平位移值基本保持一致，且數值較小。但對于測點7～10，加固后的邊坡水平位移值相對于初始狀態變化不大，且相對于測點1～6明顯較大且出現波動。根據實際工程情況，測點1～6位于一、二級邊坡，測點7～10位于三級邊坡，說明框架+預應力錨索對減小邊坡水平位移效果明顯，而三級邊坡采用的植草防護，對于減小邊坡水平位移效果較差。

初始狀態下邊坡水平位移值最大為69.16 mm,位于一級邊坡坡腳位置。施加支護后的邊坡水平位移最大值為19.26 mm，減小了70%，出現在三級邊坡的坡面處。說明一二級邊坡采用的框架+預應力錨索加固效果良好，限制邊坡水平位移效果良好。

3.2.3 邊坡豎向位移結果分析

模型水平位移計算結果如圖9～圖11所示。兩種狀態下的邊坡豎向位移在測點6～8均呈現出“U”型槽變化，“槽底”出現在測點7位置即粉砂巖殘積粘性土的土層中，跟邊坡水平位移變化呈現出相似變化，整體位移值在加固后均有明顯減小。

圖9 無加固邊坡豎向位移云圖

如圖11所示，測點1～6初始狀態下的豎向位移值相比水平位移值較小，且在支護完成后進一步減小接近0 mm，符合安全規范和設計要求。但對于測點6～10邊坡豎向位移值出現了反“S”特征；在測點7、10位移值較大，說明三級邊坡的植草防護效果欠佳，后續應加強這一區域監測防治邊坡失穩。

圖10 加固后的邊坡豎向位移云圖

圖11 兩種狀態下邊坡豎向位移云圖

在施加支護后，邊坡整體的豎向位移值和位移范圍均發生明顯減小。初始狀態下邊坡豎向位移最大值為67 mm，發生在三級邊坡坡頂處；在施加支護后最大值為53.1 mm，也發生在三級邊坡坡頂處。在完成支護后邊坡豎向位移減小了近20%，說明支護措施對減小邊坡位移起到了良好的作用。

4 結論

針對某路塹高邊坡，基于MIDAS-GTS-NX有限元軟件對邊坡支護前后的塑性區，整體位移進行分析，得到以下結論：

(1)初始狀態下，邊坡塑性區分布面積較大，最大應變值為4.46×10-2，位于一級邊坡坡腳位置；在完成支護后，最大值減小了近80%。說明在完成支護結構后使邊坡發生剪切破壞的概率大大減小。

(2)在完成支護結構后，邊坡的水平位移最大值減小了70%，豎向位移值減小了20%，支護結構有效抑制了邊坡位移，提升了邊坡的穩定性，基本滿足20 mm的允許值要求。

(3)邊坡的水平、豎向位移呈現出“U”型槽特征、出現測點6～10之間即三級邊坡處，且位移值在支護前后均較大，說明植草支護效果不如框架+預應力錨索。在后續應加強三級邊坡的監測，防治邊坡發生失穩破壞。