基于MIDAS GTS NX軟件的高寨下邊坡支護(hù)工程穩(wěn)定性分析

摘要：以連平縣東羅村高寨下滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程為例，采用MIDAS GTS NX軟件計(jì)算穩(wěn)定性，對(duì)比分析了支護(hù)前后邊坡的塑性區(qū)云圖、x方向應(yīng)變?cè)茍D、邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最大總位移。研究表明，抗滑樁支護(hù)邊坡后，邊坡的塑性應(yīng)變、塑性變形區(qū)域面積均減少；抗滑樁能夠有效抑制土體形變，降低了坡體出現(xiàn)剪切破壞且從坡腳位置滑出的可能性；抗滑樁能有效提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，有效限制了邊坡最大總位移。

關(guān)鍵詞：邊坡支護(hù)；抗滑樁；穩(wěn)定性分析；有限元數(shù)值模擬；穩(wěn)定安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）09-00-04

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Stability Analysis of Slope Support Engineering in Gaozhaixia Based on MIDAS GTS NX Software

FANG Zhihua

（Guangdong Nuclear Industry Geological Survey Institute， Guangzhou 510800， China）

Abstract： In this paper， based on the Gaozhaixia landslide geological disaster control project in Dongluo village， Lianping county， MIDAS GTS NX software is used to calculate the stability of the slope， and the plastic zone cloud map， x direction strain cloud map， slope stability safety factor and maximum total displacement are compared and analyzed before and after the support. The results show that the plastic strain and the area of plastic deformation of the slope are reduced after the anti-slide pile supports the slope. The anti-slide pile can effectively restrain the soil deformation and reduce the possibility of shear failure and sliding out from the slope foot. Anti-slide pile can effectively improve the safety factor of slope stability and limit the maximum total displacement of slope significantly.

Keywords： slope support; anti-slide pile; stability analysis; finite element numerical simulation; stability safety factor

近年來(lái)，邊坡治理工程大量出現(xiàn)。邊坡表面長(zhǎng)時(shí)間受到日曬雨淋，容易導(dǎo)致坡體發(fā)生失穩(wěn)，須對(duì)其做加固支護(hù)處理?？够瑯吨ёo(hù)屬于一類重要的支護(hù)方案，由于邊坡土體產(chǎn)生向下的推力，抗滑樁能夠平衡荷載，進(jìn)而防止出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，所以被廣泛推廣[1]。

許多學(xué)者十分關(guān)注抗滑樁在邊坡支護(hù)工程的應(yīng)用。DING等[2]研究了影響錨桿抗滑樁受力的因素，分析了樁身應(yīng)力在地震條件下的分布特征。MA等[3]推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力錨桿抗滑樁的運(yùn)動(dòng)公式，計(jì)算出其解析解，且將此方案應(yīng)用于實(shí)際工程。牛富生等[4]對(duì)抗滑樁支護(hù)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了影響邊坡加固效果的原因。趙軍等[5]以建筑、邊坡形變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在大型邊坡工程治理中應(yīng)用了多排抗滑樁。袁宗義等[6]利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法分析了冠梁在弧形排布抗滑樁結(jié)構(gòu)支護(hù)中發(fā)揮的作用。以連平縣東羅村高寨下滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程為例，對(duì)比分析了支護(hù)前后邊坡的塑性區(qū)云圖、x方向應(yīng)變?cè)茍D、邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及最大總位移，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

工程區(qū)位于連平縣東羅村高寨下邊坡坡腳，地質(zhì)構(gòu)造條件屬于中等復(fù)雜，巖性按照工程物理力學(xué)性質(zhì)，由上至下分為坡殘積粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、全風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖及全風(fēng)化灰?guī)r。巖體的基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，各巖土層為弱透水層，地下水均屬于淺循環(huán)地下水。

工程區(qū)有1處滑坡HP1，總體特征為下緩上陡，坡度為18°～30°，坡頂相對(duì)高度為203～229 m，坡腳處是水渠平臺(tái)，海拔為163～164.5 m，平臺(tái)截面為上寬下窄的梯形，下部長(zhǎng)度為5～15 m，上部長(zhǎng)度為3～6 m，水渠深度為1～2 m?；麦w中上部位置出現(xiàn)很多張拉裂縫，表面存在局部形變。HP1的位置如圖1所示。

2 支護(hù)方案

工程區(qū)采用“錨拉抗滑樁+截排水系統(tǒng)+監(jiān)測(cè)”方案做出邊坡支護(hù)治理，用一排錨拉抗滑樁防止滑坡形變。采用旋挖灌注樁，材料為C35水下混凝土，樁頂?shù)臉?biāo)高為168.9 m，截面為圓形，垂直度偏差不大于1%?？够瑯兜闹睆綖?.8 m，長(zhǎng)度為15 m，相鄰樁的間距為4 m，嵌固的深度大于3 m，各樁身用冠梁連接起來(lái)，尺寸為1.0 m×1.8 m。樁上設(shè)置了2排錨索，錨索的總長(zhǎng)度為30 m，錨固段的長(zhǎng)度為7 m，自由段的長(zhǎng)度為23 m，錨固段的長(zhǎng)度為7 m，錨固力設(shè)計(jì)值為800 kN。

3 有限元數(shù)值計(jì)算

3.1 建立模型

采用MIDAS GTS NX軟件建立邊坡的三維模型，該邊坡的剖面高度為207.5 m，底部長(zhǎng)度為112 m，底部寬度為30 m，邊坡坡中設(shè)置抗滑樁及錨索。地質(zhì)巖層自上至下可分類為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化層石灰?guī)r及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。當(dāng)降雨時(shí)，土體處于飽和狀態(tài)，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為55.6 mm/d，時(shí)間為12 h。

材料模型為摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，各類巖土層、抗滑樁應(yīng)用3D實(shí)體模型做模擬，錨索應(yīng)用1D梁?jiǎn)卧瞿M，在邊坡坡面位置處的網(wǎng)格做加密處理，重力為z方向。邊界條件設(shè)置：底部為固定約束，左右增加x軸方向的位移約束，前后增加y軸方向的位移約束。抗滑樁支護(hù)后邊坡透視圖如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

土體飽和狀態(tài)下，初始邊坡、抗滑樁支護(hù)后邊坡云圖如圖3、圖4所示，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大總位移如表1所示。

對(duì)比圖3與圖4可知，初始邊坡的土層與巖層交界位置處產(chǎn)生了滑動(dòng)帶，如果繼續(xù)任由其發(fā)展，不能保持穩(wěn)定狀態(tài)。抗滑樁可以使塑性變形區(qū)域的面積、連通性略微減少，塑性變形區(qū)域被劃分為兩個(gè)單獨(dú)的部分，潛在滑面從邊坡深部位置向淺部位置發(fā)展，能夠有效抑制土體形變。樁后的土體與抗滑樁互相脫離，樁頂位置出現(xiàn)了顯著形變，抗滑樁可以抑制樁后位置坡體的形變，樁前位置坡體的內(nèi)部依舊產(chǎn)生了聯(lián)通的塑性剪切帶。預(yù)應(yīng)力錨索可以使塑性變形區(qū)域面積和連通性明顯減弱，在錨索的作用下，土層被連接在一起，削弱了土層對(duì)邊坡的不利影響，表層荷載可以有效傳遞至下部巖體。邊坡表面位置的位移受到了明顯限制，邊坡的穩(wěn)定性明顯提高。初始邊坡土體產(chǎn)生下滑的趨勢(shì)時(shí)，產(chǎn)生向下推力傳遞到滑動(dòng)面下部巖層，巖層受到的被動(dòng)阻力與滑坡體推力平衡。采用抗滑樁支護(hù)方案之后，邊坡內(nèi)部的剪應(yīng)力均出現(xiàn)明顯下降，錨索加固后，土層強(qiáng)度得以提升，自穩(wěn)能力得以提高，降低了坡體出現(xiàn)剪切破壞且從坡腳位置滑出的可能性。

由表1可知，土體飽和狀態(tài)下，初始邊坡的安全系數(shù)僅為0.980，最大總位移達(dá)到40 mm，明顯不能達(dá)到工程安全的標(biāo)準(zhǔn)。抗滑樁支護(hù)邊坡后，其安全系數(shù)為1.340，較初始邊坡提高了36.73%，最大總位移為13 mm，較初始邊坡降低了67.50%。在支護(hù)作用下，抗滑樁能夠有效提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，顯著限制邊坡最大總位移，支護(hù)效果良好。

4 結(jié)論

結(jié)合邊坡支護(hù)工程，采用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行了對(duì)比分析，研究后得到以下結(jié)論。第一，抗滑樁支護(hù)邊坡后，邊坡的塑性應(yīng)變明顯減小，塑性變形區(qū)域的面積、連通性略微減少，能夠有效抑制土體形變。在錨索的作用下，土層連接在一起，削弱了土層對(duì)邊坡的不利影響。邊坡表面的位移受到了較大程度的限制，加固作用明顯。第二，抗滑樁支護(hù)邊坡后，邊坡內(nèi)部的剪應(yīng)力均出現(xiàn)明顯下降，錨索加固后，土層強(qiáng)度得以提升，自穩(wěn)能力得以提高，抗滑樁降低了坡體出現(xiàn)剪切破壞且從坡腳位置滑出的可能性。第三，土體飽和狀態(tài)下，初始邊坡的安全系數(shù)僅為0.980，最大總位移達(dá)到40 mm?？够瑯吨ёo(hù)邊坡后，其安全系數(shù)為1.340，較初始邊坡提高了36.73%，最大總位移為13 mm，較初始邊坡降低了67.50%?？够瑯赌軌蛴行岣哌吰路€(wěn)定安全系數(shù)，顯著限制邊坡最大總位移。

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