基于FLAC3D的軟巖高邊坡支護方案研究

劉喜康

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年來，高速公路建設加速，一大批高速公路陸續(xù)建成。特別是云南地區(qū)，高速公路往往建設在地形地質(zhì)條件復雜的山區(qū)，而軟巖高邊坡在工程中也非常常見。軟巖具有顯著的流變性質(zhì)，巖體松散，力學性能差[1]，作為高速公路路塹邊坡巖體時，常常因開挖擾動、降雨等原因而發(fā)生失穩(wěn)，給工程建設造成極大困難。在建建元高速公路丫沙底停車區(qū)邊坡地層為砂質(zhì)黏土、強風化泥質(zhì)粉砂巖及中風化泥質(zhì)粉砂巖，邊坡巖體松散，開挖擾動后邊坡發(fā)生失穩(wěn)無法繼續(xù)施工，需要重新進行邊坡的支護方案設計。文章采用FLAC3D有限差分軟件對丫沙底停車區(qū)邊坡開挖施工過程進行模擬，使用強度折減法[2]計算無支護及錨索框架梁支護情況下邊坡在天然、降雨及地震工況的穩(wěn)定安全系數(shù)，進而分析邊坡在各工況的穩(wěn)定性，提出抗滑樁設置的必要性，并對抗滑樁的設置位置進行了計算分析，推薦了最優(yōu)樁位。

1 工程概況

丫沙底停車區(qū)位于建元高速公路個舊至元陽段丫沙底溫泉附近，停車區(qū)高邊坡支護結(jié)構(gòu)原設計為錨索框架梁支護，邊坡典型斷面如圖1所示。

圖1 丫沙底停車區(qū)邊坡典型斷面圖

邊坡地層分為3層，由上而下具體如下：（1）灰黃色砂質(zhì)黏土夾碎、礫石，承載力基本容許值為180kPa；（2）強風化泥質(zhì)粉砂巖，巖體呈灰黃色，結(jié)構(gòu)大部分已破壞，巖體結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，呈碎裂狀，承載力基本容許值為300kPa；（3）中風化泥質(zhì)粉砂巖，巖體呈灰綠色，結(jié)構(gòu)完整，裂隙較發(fā)育，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，承載力基本容許值為1000kPa。

邊坡開挖分四級開挖，開挖坡比為1∶1，第一級至第三級邊坡采用20m錨索（錨固段10m）+鋼筋混凝土框架梁支護，第四級邊坡采用10m砂漿錨桿+鋼筋混凝土框架梁支護，錨桿及錨索均施加預應力。

2 邊坡開挖支護過程穩(wěn)定性研究

2.1 模型建立

首先利用Ansys軟件建立丫沙底停車區(qū)邊坡三維有限元計算模型，然后導出FLAC3D模型格式進行計算。邊坡模型長度方向（X方向）取115m，高度方向（Y方向）取91m，寬度方向（Z方向）取18m，重力加速度方向為-Y方向。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫準則，巖土體采用六面體單元、錨索采用Cable單元、鋼筋混凝土框架梁采用Beam單元模擬[3]。模型底部施加固定約束，其他自由面施加法向位移約束。三維有限元計算模型共23256個節(jié)點，20574個單元，如圖2所示。

圖2 邊坡三維有限元計算模型

2.2 參數(shù)選取

各巖土層密度ρ、變形模量E、泊松比μ、凝聚力C、內(nèi)摩擦角φ取值如表1所示。

鋼筋混凝土框架梁截面為0.5m×0.55m矩形截面，彈性模量3×104MPa，泊松比0.2。預應力錨索彈性模量19.5×104MPa，抗拉強度1860MPa，錨固段粘結(jié)砂漿為M30水泥砂漿，錨索設計張拉噸位為46.9t。預應力錨桿彈性模量20×104MPa，抗拉壓屈服強度340MPa，粘結(jié)砂漿為M30水泥砂漿，設計張拉噸位為12t。設計地震峰值加速度為0.15g。

表1 巖土層物理力學參數(shù)取值

2.3 計算工況

為了對比分析無支護狀態(tài)及錨索框架梁支護狀態(tài)邊坡的穩(wěn)定性，考慮模擬天然工況不設支護時施工全過程及開挖一級后立即進行錨索框架梁支護時施工全過程。因持續(xù)降雨及地震工況不可能進行邊坡施工，故持續(xù)降雨及地震工況僅計算邊坡施工前及邊坡施工完成后兩個階段。

2.4 結(jié)果分析

天然工況、長期降雨工況及地震工況強度折減法安全系數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

表2 各工況安全系數(shù)計算結(jié)果支護結(jié)構(gòu)

由表2可知，在天然工況不設邊坡支護的情況下，除第一級邊坡開挖后因削坡減載效應安全系數(shù)較施工前略有提高外，隨著邊坡向下開挖，邊坡安全系數(shù)逐步降低，到第四級開挖完成后，天然工況不設支護時邊坡的安全系數(shù)為1.01，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。由于持續(xù)降雨及地震工況下不設邊坡支護時，施工前及施工完成后邊坡安全系數(shù)均小于1，無法維持穩(wěn)定。因此，該停車區(qū)邊坡必須設置支護結(jié)構(gòu)。

按設計方案設置錨索框架梁的情況下，天然工況邊坡開挖施工各階段的安全系數(shù)均明顯提高，范圍在1.33～1.44。持續(xù)降雨工況第四級邊坡開挖完成后安全系數(shù)為1.31，滿足設計持續(xù)降雨工況安全系數(shù)大于1.1的要求。但在邊坡施工完成后遭遇設計地震的情況下，邊坡安全系數(shù)為1.04，不能滿足設計地震工況安全系數(shù)大于1.05的要求。因此，為了確保該停車區(qū)邊坡全生命周期的安全性，僅采用錨索框架梁支護并不能滿足要求，還需要考慮抗滑樁、擋土墻等其他支護方式。

天然工況邊坡施工前、不設支護結(jié)構(gòu)時第四級邊坡開挖完成后及錨索框架梁支護第四級邊坡開挖支護完成后三種情況邊坡失穩(wěn)的潛在滑動面對比如圖3所示。

圖3 各種情況潛在滑動面對比圖

由圖3可知，邊坡施工前最危險滑動面位置位于邊坡上部，安全系數(shù)為1.13。若不設支護結(jié)構(gòu)，隨著邊坡分級下挖，最危險滑動面逐漸下移，第四級邊坡開挖完成后，最危險滑動面從坡頂至坡腳貫通，安全系數(shù)降低至最低值1.01，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。若按原設計設置錨索框架梁，第四級邊坡開挖完成后，最危險滑動面上移，從第三級邊坡坡面滑出，安全系數(shù)提高為1.39?？梢姡O置錨索框架梁對邊坡穩(wěn)定性的提高是顯著的。天然工況不設支護結(jié)構(gòu)及天然工況設置錨索框架梁支護兩種情況下，第四級邊坡開挖完成后邊坡的位移矢量圖對比如圖4所示。由圖4可知，不設支護結(jié)構(gòu)開挖至第四級邊坡后，坡面最大位移達60cm，位移方向順邊坡向下，指向坡外，說明邊坡基本處于失穩(wěn)狀態(tài)。設置錨索框架梁后，最大位移為邊坡開挖后回彈位移14cm，且邊坡位移方向順邊坡向上，不再指向坡外，這是預應力錨索框架梁發(fā)揮的重要作用。

3 抗滑樁設置及優(yōu)化

3.1 抗滑樁設置的必要性

錨索框架梁是高速公路邊坡支護的常見形式，設置錨索框架梁極大地提高了邊坡的穩(wěn)定性，但對于丫沙底停車區(qū)邊坡，錨索框架梁支護后，在地震工況邊坡安全系數(shù)仍然達不到設計要求，需要再考慮增加其他支護形式。

圖4 不設支護與設置支護開挖后位移矢量圖

常用的滑坡治理措施有排水、削坡減載、擋土墻、滑帶土改良、抗滑樁等。丫沙底停車區(qū)位于山區(qū)，地形復雜，施工工作面小，且覆蓋層較厚，若修建擋土墻，擋土墻基礎無法置于堅實的地基上。邊坡天然狀態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)較小，削坡減載會擾動邊坡，進一步降低邊坡的安全性。采用滑帶土改良，一方面因施工面狹窄，無法使用機械設備，另一方面因覆蓋層厚，滑帶土改良投資較大，因此也不便使用?？够瑯对谏絽^(qū)施工較為方便，只需要小面積的施工平臺，采用人工挖孔施工，既可以降低對邊坡的擾動，又能快速成樁，且抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的提高作用明顯。綜合考慮，丫沙底停車區(qū)增加支護結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇為抗滑樁。結(jié)合設計建議，該邊坡最終選用長24m，截面為2m×3m矩形的鋼筋混凝土抗滑樁。

3.2 樁位分析選擇

抗滑樁設置的位置不同，對邊坡穩(wěn)定性的作用也不同，樁位的選擇至關重要。為了研究抗滑樁設置的最優(yōu)樁位，文章使用FLAC_3D有限差分軟件的Pile結(jié)構(gòu)單元模擬抗滑樁，擬定第一級邊坡坡頂（P1）、第一級邊坡馬道（P2）、第二級邊坡馬道（P3）、第三級邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）五個樁位，計算天然工況邊坡在錨索框架梁及抗滑樁共同支護下的穩(wěn)定安全系數(shù)，計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同樁位邊坡天然工況安全系數(shù)

由表3可知，抗滑樁設置于第一級邊坡坡頂（P1）、第一級邊坡馬道（P2）及第二級邊坡馬道（P3）時，邊坡安全系數(shù)為1.46～1.49，相比天然工況不設抗滑樁時第四級邊坡開挖完成后的安全系數(shù)1.39有明顯提高。但設置于第三級邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）位置時，邊坡安全系數(shù)為1.40～1.41，與不設抗滑樁時相差不大，說明抗滑樁設置于第三級邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）位置對邊坡的支護效應不明顯?？够瑯对O置于第三級邊坡馬道（P4）位置時最危險滑動面如圖5所示，可以看到，最危險滑動面從第三級邊坡接近坡腳的位置滑出，即抗滑樁設置于第三級邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）位置，并未穿過最危險滑動面，故抗滑效應沒有得到發(fā)揮。

圖5 抗滑樁設置于第三級邊坡馬道（P4）位置時最危險滑動面

從上述計算分析的角度看，抗滑樁設置于第一級邊坡坡頂（P1）時，邊坡安全系數(shù)最高。但從邊坡現(xiàn)場運輸條件看，坡頂施工抗滑樁需要額外修建施工便道以便于抗滑樁施工，施工難度大，且需要額外增加占地，現(xiàn)場抗滑樁設置于低高程邊坡馬道上更有利于施工。抗滑樁設置于第三級邊坡馬道（P3）時安全系數(shù)為1.46，與設置于第一級邊坡坡頂時，邊坡的安全系數(shù)1.49相差不大。綜合考慮，抗滑樁的最優(yōu)設置位置為第三級邊坡馬道（P3）位置。

抗滑樁設置于第三級邊坡馬道（P3）位置時，計算得到持續(xù)降雨工況邊坡安全系數(shù)為1.17，地震工況邊坡安全系數(shù)為1.09，均滿足設計要求。

4 結(jié)論

文章使用有限差分軟件FLAC3D，計算分析了在建建元高速公路丫沙底停車區(qū)軟巖高邊坡在不設置支護結(jié)構(gòu)與設置錨索框架梁支護結(jié)構(gòu)的情況下，邊坡開挖支護各階段的穩(wěn)定性。并計算分析了抗滑樁位于不同位置時邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，通過分析研究，得到如下結(jié)論：

（1）丫沙底停車區(qū)邊坡不設支護時，天然工況處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，若遇持續(xù)降雨、地震，邊坡將失穩(wěn)滑動，因此必須設置邊坡支護結(jié)構(gòu)。

（2）錨索框格梁支護極大地提高了邊坡的穩(wěn)定性，但仍不能滿足地震工況安全系數(shù)大于1.05的要求。

（3）為了確保丫沙底停車區(qū)邊坡全生命周期的穩(wěn)定性，最優(yōu)方案為增設抗滑樁支護，抗滑樁設置的最優(yōu)位置為第三級邊坡馬道（P3）位置。