某二元結(jié)構(gòu)高邊坡加固效果對(duì)比分析研究

董萬(wàn)森

（山西交通控股集團(tuán) 呂梁北高速公路管理有限公司，山西 呂梁 033100）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有了巨大的提升。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不可避免地會(huì)遇到各種各樣的高陡邊坡。高陡邊坡在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用下可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的情況，尤其是土質(zhì)及強(qiáng)風(fēng)化巖層邊坡在長(zhǎng)時(shí)間的暴雨或者地震作用下極易發(fā)生垮塌、滑坡的危險(xiǎn)，從而對(duì)坡腳處的基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至帶來(lái)巨大的安全隱患，因此往往需要對(duì)高陡邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)[1]。高陡邊坡支護(hù)過(guò)程中一般需要對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖等，這會(huì)改變邊坡的原始應(yīng)力狀態(tài)。如何保證在高邊坡開(kāi)挖過(guò)程中的安全性，并選擇經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案，是巖土工程界重要的研究課題[2]。利用數(shù)值分析軟件能夠較好地模擬工程的實(shí)際情況，為工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 工程概況

某二元結(jié)構(gòu)的高邊坡，高約22 m，該邊坡巖層傾角為7°～9°，是典型的外傾順向邊坡。上部為雜填土及粉質(zhì)黏土，其中素填土平均厚度約為6 m，粉質(zhì)黏土平均厚度為5 m。其下為強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化的炭質(zhì)頁(yè)巖，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖厚度高達(dá)9.5 m。邊坡坡腳擬新建一條公路。巖土參數(shù)如表1所示。為了提出針對(duì)性的支護(hù)方案，筆者首先對(duì)該邊坡的天然狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。

表1 土層參數(shù)表

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元軟件簡(jiǎn)介

目前用于邊坡工程有限元分析的軟件較多，常見(jiàn)的比如FLAC 3D，ANSYS，ADINA，MidasGTS NX等，都能進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析。但在這些軟件中，Midas GTS NX是針對(duì)巖土工程開(kāi)發(fā)的有限元軟件，該軟件主要分為前處理和后處理兩個(gè)部分，用戶界面簡(jiǎn)潔易懂，具有強(qiáng)大的巖土材料模型庫(kù)，同時(shí)能夠進(jìn)行快速的幾何建模和網(wǎng)格劃分，能夠模擬絕大部分的巖土體破壞模式，具有接近真實(shí)情況等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]。因此本文將采用Midas GTS NX軟件來(lái)進(jìn)行該工程的有限元分析。

2.2 原始邊坡有限元分析

該邊坡處于Ⅵ級(jí)地震區(qū)，因此本文暫不考慮地震對(duì)邊坡的影響，主要考慮了天然工況及暴雨工況對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。由于缺乏巖土的滲流函數(shù)等必要的參數(shù)，因此本文不適合采用滲流固結(jié)分析。當(dāng)遇到持續(xù)暴雨的時(shí)候，雨水不再滲入地下，將沿邊坡表面流動(dòng)形成地表徑流，下部土體全是處于飽和狀態(tài)，因此在設(shè)置參數(shù)時(shí)使用土體的飽和重度來(lái)簡(jiǎn)化模擬，達(dá)到模擬暴雨的目的。

邊界范圍的選取對(duì)有限元模型的建立及計(jì)算具有重要的影響。邊界范圍過(guò)大不僅會(huì)造成計(jì)算機(jī)資源的浪費(fèi)，造成運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)邊坡的精度并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的提升作用。邊界范圍過(guò)小則會(huì)由于邊界的約束使邊坡的應(yīng)力發(fā)生重分布，不能很好地還原邊坡的原始狀態(tài)。因此選取合理的邊界范圍是建立良好有限元模型的重要前提。本文采用的模型尺寸邊界如圖1所示。在此基礎(chǔ)上建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 建模尺寸示意圖

圖2 邊坡原始狀態(tài)有限元模型

通過(guò)模擬計(jì)算得出，該邊坡在天然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.137，暴雨?duì)顟B(tài)下的安全系數(shù)僅為1.041，安全系數(shù)減小了0.096，均處于欠穩(wěn)定、瀕臨破壞的狀態(tài)。

圖3 原始邊坡塑性區(qū)分析圖

通過(guò)圖3可以看出，邊坡已經(jīng)在粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖之間形成了圓弧滑動(dòng)面，并在坡腳處出現(xiàn)最大的塑性應(yīng)變區(qū)，極易超過(guò)土體的抗剪強(qiáng)度，從而造成土體在坡腳處剪出，形成牽移式滑動(dòng)破壞，因此亟需對(duì)該邊坡進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，避免對(duì)公路造成建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期的危險(xiǎn)。

2.3 支護(hù)方案選擇及其有限元模型

通過(guò)對(duì)原始邊坡的穩(wěn)定性及塑性區(qū)分布的分析，本文采用了兩種支護(hù)方案進(jìn)行分析。由于該邊坡為牽移式滑動(dòng)邊坡，因此方案一為在邊坡坡腳處設(shè)置抗滑樁，同時(shí)結(jié)合對(duì)邊坡頂部放緩坡并進(jìn)行護(hù)面噴混凝土，同時(shí)削坡減載、減小邊坡的下滑力，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。方案二為放三級(jí)邊坡，并在邊坡內(nèi)設(shè)置長(zhǎng)錨桿，使錨桿與土體形成一個(gè)新的加固體系，提高土體的抗剪強(qiáng)度，達(dá)到整體加固邊坡的目的。但如果第三級(jí)放坡為8 m的話，則邊坡分級(jí)的位置正好在強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖和粉質(zhì)黏土的巖層分界面上，這樣容易造成上覆土體從邊坡分界面處滑動(dòng)，造成剪切破壞，因此邊坡分級(jí)應(yīng)避免在此類(lèi)界面處[4-7]。兩種方案的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.4 有限元模型建模

在前面邊坡的天然狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上建立了邊坡支護(hù)的錨桿方案和抗滑樁支護(hù)方案的有限元模型，分別如圖4和圖5所示。

圖4 錨桿方案支護(hù)設(shè)計(jì)有限元模型圖

圖5 抗滑樁方案支護(hù)設(shè)計(jì)有限元模型圖

為了更好地研究在支護(hù)過(guò)程中邊坡?tīng)顟B(tài)的變化情況，采用Midas有限元軟件里的施工階段進(jìn)行模擬，兩種方案下的施工過(guò)程如表3所示。

表3 兩種方案的施工步驟

2.5 不同支護(hù)方案下的邊坡分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)不同支護(hù)方案的施工步驟分析，得到了不同支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定性變化過(guò)程。

2.5.1 錨桿支護(hù)方案

該邊坡在錨桿支護(hù)方案的實(shí)施過(guò)程中，其邊坡的穩(wěn)定性如圖6所示。

三是國(guó)法。中國(guó)古代社會(huì)十分重視法的作用，《左傳》中有記載，“仲尼曰：政寬則民慢，慢則糾之以猛；猛則民殘，殘則施之以寬。寬以濟(jì)猛，猛以濟(jì)寬，政是以和。”[6]這就是說(shuō)，君主在以社會(huì)道德引導(dǎo)百姓自覺(jué)遵守社會(huì)規(guī)范的同時(shí)，必須輔之以法律懲治，才能維護(hù)正常的社會(huì)秩序。

圖6 錨桿支護(hù)下的邊坡安全系數(shù)變化圖

從圖6可以看出，隨著錨桿支護(hù)方案的逐步實(shí)施，邊坡的安全系數(shù)逐步提升，從原始狀態(tài)的1.137逐步提升到2.084，其安全系數(shù)增大了83.3%，極大地提升了邊坡的穩(wěn)定性。從圖中可以看出，在進(jìn)行開(kāi)挖2施工步驟時(shí)，邊坡的安全系數(shù)有輕微的下降，這是因?yàn)殚_(kāi)挖第二級(jí)邊坡時(shí)改變了邊坡的應(yīng)力分布，降低了邊坡的抗滑阻力。但總體上還是處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文同時(shí)分析了持續(xù)暴雨?duì)顟B(tài)下錨桿支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定性，邊坡的安全系數(shù)降低到了1.163，與天然工況下有錨桿支護(hù)的邊坡安全系數(shù)2.084相比，降低幅度達(dá)到44.2%。暴雨工況下邊坡的土體塑性區(qū)分布如圖7所示。

圖7 暴雨工況錨桿支護(hù)的邊坡塑性區(qū)分布圖

通過(guò)圖7可以看出，在持續(xù)暴雨條件下，邊坡形成了穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖的圓弧滑動(dòng)帶。從該塑性區(qū)分布可以看出錨桿對(duì)邊坡的整體加固起到了極大的作用，尤其是第二三級(jí)邊坡的邊坡錨固段深入穩(wěn)定巖層中，對(duì)邊坡滑動(dòng)起到了抗滑的作用。同時(shí)由于錨桿的支護(hù)作用，與錨固區(qū)的土體形成了一個(gè)整體性的加強(qiáng)區(qū)域，提高了該區(qū)域的整體抗剪強(qiáng)度，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。而第一級(jí)邊坡的錨桿則尚未穿過(guò)滑動(dòng)帶，對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性起到的作用有限。因此，筆者認(rèn)為可放緩第一級(jí)邊坡的坡率，達(dá)到減小工程造價(jià)的目的。也可以進(jìn)一步加長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度，使其穿越滑動(dòng)帶，從而進(jìn)一步提高邊坡的穩(wěn)定性。

但結(jié)合邊坡的安全系數(shù)和塑性區(qū)分布可以看出，無(wú)論是天然工況還是暴雨工況，邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到了加固邊坡的目的。

2.5.2 抗滑樁方案

該邊坡在抗滑樁支護(hù)方案的實(shí)施過(guò)程中，其邊坡的穩(wěn)定性如圖8所示。

圖8 抗滑樁支護(hù)下的邊坡安全系數(shù)變化圖

從圖8可以看出，隨著抗滑樁的施工，邊坡的安全系數(shù)由原來(lái)的1.152提高到了1.627，其安全系數(shù)增大了41.2%。較好地增加了邊坡的穩(wěn)定性。從圖中可以看出，在進(jìn)行第二步開(kāi)挖時(shí)，邊坡的安全系數(shù)有輕微的減小，同樣也是因?yàn)闇p小了邊坡抗滑段的土體重量，使得下滑段土體的下滑力與抗滑段土體的抗滑力比值增大，造成安全系數(shù)降低。因此在實(shí)際施工過(guò)程中，尤其是暴雨天氣狀態(tài)下，應(yīng)注意在開(kāi)挖過(guò)程中的邊坡監(jiān)測(cè)，避免帶來(lái)施工過(guò)程中的危險(xiǎn)。而隨著邊坡抗滑樁背后的填土施工，抗滑樁對(duì)邊坡的滑動(dòng)起到了重要的抵抗作用。邊坡的安全系數(shù)由1.209提高到了1.489，提升幅度高達(dá)23.2%。最終通過(guò)對(duì)邊坡進(jìn)行噴射混凝土的防護(hù)施工，邊坡的安全系數(shù)提高到了1.627。究其原因，這是因?yàn)槭┕み吰卤砻鎳娚浠炷林?，邊坡表面的抗剪?qiáng)度得到了極大的提升，從而抑制了土體從邊坡表面發(fā)生剪切破壞。

同樣分析了施工完畢后天然工況與暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性。天然工況下，雖然抗滑樁支護(hù)下的邊坡安全系數(shù)為1.627，但在持續(xù)暴雨的極端情況下，邊坡的安全系數(shù)降低到了1.156，降低了28.9%。進(jìn)一步分析暴雨工況下邊坡的土體塑性區(qū)分布如圖9所示。

圖9 暴雨工況抗滑樁支護(hù)的邊坡塑性區(qū)分布圖

從圖9可以看出，在持續(xù)暴雨條件下，邊坡形成了穿過(guò)粉質(zhì)黏土的圓弧滑動(dòng)帶，而在樁前形成了較大的土體塑性應(yīng)力集中區(qū)，并在繞過(guò)樁底位置。同時(shí)，由于抗滑樁的設(shè)置，阻斷了邊坡原有的圓弧滑動(dòng)帶，使得滑動(dòng)帶向土體深處下移。證明了抗滑樁對(duì)土體的滑動(dòng)起到了很大的阻擋作用。同樣地，雖然抗滑樁阻擋了邊坡形成貫通的塑性區(qū)，但樁前土應(yīng)力較大，同時(shí)滑動(dòng)帶繞過(guò)了樁底，在暴雨加地震的極端荷載下，有可能會(huì)產(chǎn)生徹底繞過(guò)樁底的更深的滑動(dòng)帶，從而發(fā)生整體的傾倒破壞。因此，還應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)樁的嵌固深度，在工程經(jīng)濟(jì)性和安全性之間取得一個(gè)較好的平衡。

2.5.3 兩種方案對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)以上兩種方案的分析結(jié)果可以看出，兩種方案均能提高邊坡的穩(wěn)定性，都是合理的設(shè)計(jì)方案。但進(jìn)一步分析可以看出，錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)加強(qiáng)的防護(hù)措施，能夠整體提升邊坡的抗剪強(qiáng)度，且具有施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。而抗滑樁屬于被動(dòng)支護(hù)方案，只有當(dāng)土體發(fā)生位移并作用在抗滑樁上時(shí)，抗滑樁才能利用自身的抗剪抗彎能力來(lái)抵擋主動(dòng)土壓力，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的，但其自身的施工更容易得到保證。兩種設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)具體工程應(yīng)當(dāng)主動(dòng)支護(hù)措施與被動(dòng)支護(hù)措施綜合考慮，充分分析邊坡的破壞機(jī)理，因地制宜，制定邊坡防護(hù)方案，達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)有效控制工程造價(jià)的目的。

3 結(jié)論

通過(guò)分析不同支護(hù)方案下的邊坡穩(wěn)定性，得到了以下主要的結(jié)論：

a）分析了在未支護(hù)條件下，邊坡的安全系數(shù)和塑性區(qū)的分布情況，得到了邊坡是沿粉質(zhì)黏土與強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖的巖層分界面滑出的牽移式滑動(dòng)破壞，為支護(hù)方案的選擇奠定了基礎(chǔ)。

b）錨桿支護(hù)下，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.137提高到2.084，圓弧滑動(dòng)帶下移至強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖層。錨桿與錨固范圍內(nèi)的土體形成了整體的加強(qiáng)體，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

c）抗滑樁支護(hù)下，邊坡的安全系數(shù)由1.152提高到了1.627，抗滑樁的被動(dòng)防護(hù)措施阻斷了潛在滑動(dòng)帶的貫通，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。