Midas GTS-NX在機(jī)場(chǎng)邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■ 王靜

（中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，貴州 安順 561000）

滑坡是常見(jiàn)的一種易發(fā)和危險(xiǎn)性極大的工程地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題之一[1]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展和國(guó)家“十三五”規(guī)劃的開(kāi)展，為了加快我國(guó)西部基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)展，克服不利地形對(duì)交通建設(shè)的不利影響，航空運(yùn)輸因?yàn)楸憬?、快速的特點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用[2][3]，機(jī)場(chǎng)跑道占地面積大、跑道長(zhǎng)度長(zhǎng)，山區(qū)自然地形條件不能很好滿足機(jī)場(chǎng)建設(shè)的需要，各國(guó)普遍采用高填方邊坡的形式填筑機(jī)場(chǎng)，同時(shí)高邊坡引發(fā)次生危害[4][5]；研究了國(guó)、內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)場(chǎng)邊坡的失穩(wěn)問(wèn)題開(kāi)展了很多研究，普遍認(rèn)為在機(jī)場(chǎng)高填方填筑中引起的邊坡失穩(wěn)原因主要是人為因素和不良地質(zhì)條件。近年來(lái),有學(xué)者通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)勘查技術(shù)，結(jié)合有限元軟件建立場(chǎng)區(qū)邊坡數(shù)值模型，計(jì)算并分析極端工況下的應(yīng)力、應(yīng)變，分析邊坡潛在變形機(jī)理，為工程設(shè)計(jì)階段提供參考，利用有限元法對(duì)機(jī)場(chǎng)高填方邊坡填筑施工過(guò)程的分析，研究施工中邊坡場(chǎng)區(qū)荷載激勵(lì)下的應(yīng)力、位移場(chǎng)的變化，提供一定的動(dòng)態(tài)施工的參考依據(jù)[6]。針對(duì)我國(guó)西部某機(jī)場(chǎng)高填方邊坡的填筑中邊坡對(duì)周圍村莊及邊坡自身穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，研究填方邊坡的變形機(jī)理及穩(wěn)定程度，并對(duì)穩(wěn)定程度較低的邊坡采用相對(duì)應(yīng)的加固措施，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、適用、安全和美觀的要求。

一、工程概況

我國(guó)西北部某新建機(jī)場(chǎng)，由于地處黃土高原腹地，為了克服山區(qū)溝壑無(wú)法滿足修建機(jī)場(chǎng)跑道的天然不利因素，通常采用挖填方式整平場(chǎng)地的方式修筑，利用對(duì)應(yīng)的地基處理技術(shù)經(jīng)處理后才是處理機(jī)場(chǎng)跑道的比較有效的途徑之一[7]，但填土高度增加，極易引發(fā)邊坡失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。在高填方施工中引發(fā)老滑面失穩(wěn)。

二、有限元法

為了分析機(jī)場(chǎng)高填方邊坡變形機(jī)理，研究邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并選擇合理、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方式，利用巖土有限元軟件Midas GTSNX模擬填方邊坡，得到不同工況條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)安全系數(shù)與規(guī)范比較，判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)計(jì)算推力結(jié)果加固潛在不穩(wěn)定的邊坡，計(jì)算加固后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)比穩(wěn)定系數(shù)判斷邊坡治理效果。Midas GTSNX中采用的有限元法分為強(qiáng)度折減法（SRM法）和有限元法（SAM法），本次建模分析高填方邊坡初始及加固后的穩(wěn)定狀態(tài)，填方土體主要為素填土，為了模擬效果盡可能接近實(shí)際，本次采用的基本理論假設(shè)為土體均質(zhì)、邊坡單元約束條件為底部剛接，左右兩邊鉸接，土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，采用SRM法計(jì)算，不斷折減土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ，也就是說(shuō)假定滑體處于極限平衡狀態(tài)，通過(guò)不斷折減滑動(dòng)面位置的抗剪指標(biāo)使塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)滑動(dòng)面的塑性區(qū)出現(xiàn)貫通時(shí)，則滑坡坡體已處于極限狀態(tài)，邊坡數(shù)值分析過(guò)程中不斷增加折減系數(shù)，反算至其達(dá)到臨界破壞，折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)Fs，強(qiáng)度折減法計(jì)算公式如公式（1）、公式（2）所示。

其中，CF-折減后的黏結(jié)力，φF-折減后的摩擦角，F(xiàn)trial-折減系數(shù)。

巖土中邊坡計(jì)算相對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算而言，由于巖土是一種比較復(fù)雜、非均勻和非各向同性材料，因此巖土工程分析的滑坡，設(shè)計(jì)中通常采用“工程類比法”[8]，但也存在設(shè)計(jì)工作量大、對(duì)滑坡滑動(dòng)認(rèn)知不足的缺點(diǎn)，為了克服設(shè)計(jì)中不利因素，減輕設(shè)計(jì)人員的工作量及加深對(duì)滑坡變形機(jī)理和特征的認(rèn)識(shí)，通常利用有限元軟件可以在缺乏工程經(jīng)驗(yàn)或者前期為了預(yù)測(cè)坡體在不利工況下變形趨勢(shì)和分析影響邊坡穩(wěn)定性的因素。

計(jì)算滑面的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及防護(hù)工程的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

為了準(zhǔn)確分析老滑坡體與高填方邊坡耦合體系協(xié)同上的變形機(jī)理、滑動(dòng)趨勢(shì)和變形特征等，建立老滑體與高填方邊坡耦合協(xié)同體系數(shù)值模型，如圖1所示。利用midas的Mohr-Coulomb單元，劃分成四面體+三角單元建立考慮土體、樁土的接觸單元的耦合有限元模型組合模型，模型的單數(shù)量為6276個(gè)，考慮材料非線性效應(yīng)，為了加快收斂速度，采用弧長(zhǎng)法搜索最不利位置的滑面，有限元模型如圖1所示，求解的潛在滑動(dòng)面如圖2所示，耦合體系的計(jì)算結(jié)果如圖2所示，塑性區(qū)主要集中在填方體內(nèi)，滑面位置與現(xiàn)狀滑動(dòng)面位置基本吻合。

表1 參數(shù)指標(biāo)

圖1 老滑坡與高填方耦合模型

圖2 耦合體系塑性區(qū)云圖(Fs=1.02)

圖3 老滑坡斷面圖

實(shí)際勘察滑坡主滑動(dòng)位置斷面如圖3所示，從圖1、圖2、圖3可以看出，有限元結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果對(duì)比分析可以看出，耦合體系的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際主滑面的位置、形態(tài)還有剪出口位置和趨勢(shì)基本吻合，圖1所示，塑性區(qū)主要集中在填方體內(nèi)，鉆探的主滑面位置與模擬結(jié)果最大高差為1.5m，主滑面位置與現(xiàn)狀滑動(dòng)面位置基本吻合，填方體坡腳存在兩個(gè)剪出口，第一個(gè)剪出口與現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)剪出口位移一致，表明老滑坡存在沿老滑動(dòng)面滑動(dòng)趨勢(shì)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合度良好，如圖2所示；第二剪出口位于填方體最后一級(jí)坡腳處，二者空間高差位置差50cm，表明模擬結(jié)果與實(shí)際吻合良好，新填筑的填土存在沿著老地面滑動(dòng)的潛在可能，坡腳需要采取支護(hù)措施。

三、加固措施及效果分析

利用數(shù)值模型分析結(jié)果，新填筑邊坡存在二者耦合滑動(dòng)趨勢(shì)，滑動(dòng)特征表現(xiàn)在：（1）新建施工擾動(dòng)加速下部老滑坡的蠕動(dòng)，現(xiàn)已出現(xiàn)剪出口；（2）新填筑的邊坡屬于高填方，存在典型失穩(wěn)的特征。

為了達(dá)到治理高填方邊坡失穩(wěn)的問(wèn)題，抗滑樁作為主要支擋工程，由于填方體高度約48m，抗滑樁布設(shè)于坡腳位置，滑坡抗力抵消一部分滑坡推力，樁長(zhǎng)可以做到經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度同時(shí)保證預(yù)期的治理效果，施加抗滑樁模型如圖4所示。

圖4 抗滑樁支護(hù)后塑性區(qū)云圖(FS=1.24)

選取填筑高度最高的48m斷面計(jì)算現(xiàn)狀條件利用抗滑樁支護(hù)后塑性區(qū)云圖；通過(guò)對(duì)比分析施加抗滑樁前后的新填方與老滑面耦合體系整體的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)工程治理的效果。為了防止其進(jìn)一步滑動(dòng)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害事故，在對(duì)老滑體的數(shù)值模擬過(guò)程中，老滑面主滑面所在位置平均深度約24m，實(shí)際中鉆孔巖芯測(cè)量滑面平均深度約23.2m，數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際主滑面所在位置和角度基本吻合。

利用有限元軟件計(jì)算能夠準(zhǔn)確模擬老滑坡體上高填方二者蠕動(dòng)耦合效應(yīng)，分析二者協(xié)同變形機(jī)理，利用數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)置抗滑樁考慮老滑面和潛在滑面變形影響，考慮兩個(gè)剪出口與抗滑段相對(duì)位置并計(jì)算剩余樁前下滑力的影響，設(shè)置坡腳抗滑樁保證坡體的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)支護(hù)斷面如圖5所示，實(shí)際防護(hù)工程位置布設(shè)如圖6所示，在潛在滑動(dòng)面剪出口位置附近布置一排2.0m×3.0m抗滑樁，樁長(zhǎng)為30m，通過(guò)對(duì)邊坡的地表位移監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，抗滑樁的存在明顯限制了邊坡水平位移的發(fā)展。

圖5 錨索-抗滑樁支護(hù)體系

圖6 坡腳增設(shè)錨索排抗滑樁

圖2和圖4結(jié)果表明：（1）現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.02，坡面產(chǎn)生一條貫通潛在滑動(dòng)面，老滑面位置及剪出口與實(shí)際吻合，新填土存在潛在剪出口；（2）利用抗滑樁在坡腳潛在滑動(dòng)面處加固后穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.24，樁后土體水平位移明顯減小，抗滑樁的抗力抵消大部分土體的下滑力，說(shuō)明抗滑樁在一定程度上限制坡體沿潛在滑動(dòng)面滑動(dòng)的趨勢(shì)，達(dá)到治理工程設(shè)計(jì)的效果。

四、結(jié)論

為了研究西部機(jī)場(chǎng)高填方邊坡的穩(wěn)定性及抗滑樁加固效果，利用Midas GTSNX建立了機(jī)場(chǎng)填方體邊坡的數(shù)值模型，分別計(jì)算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

（1）由于山區(qū)機(jī)場(chǎng)高填方邊坡內(nèi)部存在產(chǎn)生潛在滑動(dòng)面而存在失穩(wěn)的可能，新填筑高填方在老滑坡體上并引發(fā)老滑坡蠕動(dòng)，利用數(shù)值軟件計(jì)算二者協(xié)同變形特征和蠕動(dòng)的趨勢(shì)，不僅老滑體在坡腳出現(xiàn)深層剪出口，新填筑坡體存在老滑體上部剪出的可能。

（2）支護(hù)前邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.02，利用抗滑樁在坡腳加固后穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.24，加固后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑樁的存在在一定程度限制了邊坡沿潛在滑動(dòng)面滑動(dòng)的趨勢(shì)。

（3）利用有限元軟件計(jì)算能夠準(zhǔn)確模擬老滑坡體上高填方二者蠕動(dòng)耦合效應(yīng)，分析二者協(xié)同變形機(jī)理、潛在滑動(dòng)面變形趨勢(shì)及變形特征，對(duì)比支護(hù)前后的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)工作，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、適用和美觀的治理效果。