蘭州市某邊坡治理設計有限元法計算分析

田樹濤

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅蘭州730050）

蘭州市某邊坡治理設計有限元法計算分析

田樹濤

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅蘭州730050）

結合蘭州市某邊坡地質災害治理工程，通過對兩個典型剖面進行有限元反分析計算，獲得該邊坡土體的抗剪強度指標。經過坡面修整后建立有限元模型進行3種工況的穩定性分析，根據未加固邊坡塑性區應變大小和貫通變形區域面積，確定錨桿穿過塑性區的長度，通過加固后數值計算分析驗證，判斷其穩定性和加固效果滿足工程要求。算例分析結果表明，該法使用簡便，結果可靠，從而為邊坡治理提供依據。

邊坡治理；反分析法；有限元；塑性區；錨桿加固

0　引言

蘭州地區黃土層較厚，且含易融性的鹽較多，在雨季巖體土力學參數降低，很容易發生邊坡失穩。高邊坡的加固和治理在蘭州市一直是巖土工程、地質工程領域一個重要的研究課題，對于邊坡的加固和治理前后的穩定分析，國內外學者也已提出了很多方法，例如：極限平衡法、塑性極限分析和滑移線場法等。盡管這些方法應用廣泛，但是存在以下缺陷［1-2］：（1）沒有考慮土體內部的應力-應變關系；（2）不能分析邊坡破壞的發生和發展過程；（3）不能考慮土體與支擋結構相互作用及其變形協調；（4）若要求邊坡的安全系數，首先需要對滑裂面形狀做出假定，例如為折線、圓弧等。鑒于以上缺陷，本文采用能克服上述缺陷的有限元強度折減法［3］及相關實際工程案例［4］，研究某臨危邊坡在采用錨桿和錨索進行加固的設計計算方法。盡管人們采用有限元強度折減法對錨索和錨桿治理滑坡或加固邊坡的問題進行過一些研究，但為簡單起見，常將其簡化為平面應變問題［5］。本文以筆者負責的蘭州某實際邊坡設計為例，采用有限元強度折減法，利用兩個典型剖面進行反分析計算力學巖土參數，然后分析該邊坡安全系數隨錨桿加固前后位移、塑性區和安全系數變化規律［6］，最終從數值模擬手段獲得該邊坡穩定的設計方案。

1　工程概況

該邊坡位于蘭州市城關區大砂坪某建設住宅區內，坡腳將擬建32層住宅樓，坡頂為園地，即將開發為住宅區。該邊坡走向呈南北方向，斜坡坡頂上植被相對茂盛，距站院最大高差21m，斜坡前緣臨空陡壁地形，坡角為60°左右，高度8～10m之間，斜坡后緣受人為耕種臺地的影響，經風蝕水淘后呈臨空陡坎。該邊坡目前出現裂縫和變形，表明已處于臨界穩定狀態，對邊坡下部的擬建建筑物及小區安全構成了潛在的危險，因此必須采取加固措施，阻止該邊坡發生整體滑塌。

2　坡體形態

在邊坡工程中，組成坡體的巖土層性質及其結構是影響邊坡體變形的內在因素。該坡體的巖土層為風積黃土，構成土質邊坡。組成不穩定斜坡的風積黃土，具有大孔隙、垂直節理發育、遇水有濕陷性等特點，這些工程性質決定了它的各向不均勻性，豎向垂直滲透性也較大，地表水體易沿垂直節理下滲到坡體深處。該坡高21m，坡度較陡，約60°，坡體下緣存在臨空面，主要風化后散落，整體欠穩定，在1 532～1 553m高程之間為風積黃土層，臨空面較好，易發生滑塌現象。該不穩定邊坡的形成，主要與強烈的人類工程活動有著直接關系，原建設時人工挖填是邊坡形成的原因。根據邊坡形態特征和地層結構，可以判斷出邊坡經過人工開挖改造，頂部為耕作臺地，排水不暢，并有風蝕，形成臨空面，高差較大，原始地形大為改觀，在坡面徑流、沖淘過程中形成沖溝及高臨空面的陡坎，破壞了坡體原有的平衡結構，為坡體滑坍和崩塌等災害的發生潛伏了條件，形成了不穩定邊坡體，因此，有必要采取有限元進行模擬分析比較其合理性。

3　土體抗剪強度指標的反算

目前確定土體強度指標的方法主要有經驗法、土工試驗和反分析法等。為了較準確地得出計算結果，現采用國內外廣泛使用的反分析法求出土體的強度指標。根據巖土勘察報告，該地層均為上更新統馬蘭黃土（Q32eo1），視為莫爾-庫侖理想彈塑性材料，其重度g= 16 kN/m3，變形模量為12 MPa，泊松比n= 0.36；漿砌擋土墻視為彈性體，其重度g= 24 kN/m3，彈性模量E= 2×104MPa，泊松比n= 0.21。單從該邊坡的變形跡象來看，可認為目前該邊坡處于臨界穩定狀態，即當前穩定安全系數Fs≈1.0，亦即以塑性區恰好貫通安全系數為1.0 時所對應的強度指標作為邊坡土體抗剪強度反算指標。本次依據兩個典型斷面，以天然臨界狀態反算，計算結果如表1。

表1　強度參數反算結果

根據曲線交點（見圖1），φ=26.1，C=12.2 kPa，并結合當地附近工程經驗綜合考慮，最后設計計算參數φ=26.6，C=12.5 kPa。飽和狀態根據蘭州地區經驗取值為φ=24.0，C=9 kPa。

圖1　粘聚力-內摩擦角關系曲線

4　邊坡穩定性分析

該坡總體高度大于30m，坡腳緊鄰擬建建筑物，一旦發生災害，對建筑物和居民的危害很大，故確定該斜坡安全等級為一級，因此該階段是以坡面修整以后進行穩定性分析。本次分析計算工況選取3種工況，即自重工況、自重+暴雨工況、自重+地震工況。附加主要荷載為暴雨水荷載。通過野外調查及勘查中未揭露地下水的實際情況，本次計算不考慮地下水的影響，但考慮到坡面匯水和降雨下滲，為了安全起見，土體重度在自重+暴雨工況下取飽和重度，c、φ值根據地區經驗進行強度折減。地震荷載，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001），勘查區地震基本烈度為8度，設計基本地震動峰值加速度為0.20 g，故水平地震力系數取0.2。

根據塑性區的發生與發展能夠描述邊坡土體的局部剪切破壞發生、剪切破壞區的擴展及其連通過程，并根據塑性區相互貫通時的強度折減系數能夠確定邊坡的臨界整體穩定安全系數。

由圖2～圖4，邊坡穩定性評價結果為：自重工況下穩定性系數為1.165，小于1.3，坡體處于不穩定狀態；自重+暴雨工況下穩定性系數為0.987 5，小于1.1，邊坡整體處于不穩定狀態；自重+地震工況下穩定性系數為0.937 5，小于1.05，邊坡整體處于不穩定狀態。

圖2　天然狀態下安全系數1.165

圖3　降雨狀態下安全系數0.9875

圖4　地震狀態下安全系數0.937 5

從以上3種工況分析得出以下結論，剪應變云圖可以分析，最大剪應變區域相同，剪應變塑性區都存在貫通，均呈圓弧狀。在天然狀態下和地震狀態下，塑性貫通區區域位置截然不同，后者比前者較大，最大剪應變數值也較大，位移變化情況也是后者比前者較大，穩定系數后者比前者較小。降雨狀態下，剪應變塑性區最大剪應變、位移比其它兩者都小，穩定系數小于1，處于不穩定狀態，那是因為在降雨工況下，巖土參數包括容重比其它要大，導致自重增加，粘聚力和摩擦角參數均有所降低，導致抗剪強度降低所致，因此，該塑性區明顯不同。

5　加固方案

根據穩定性分析結果可知必須采取加固措施。依據業主及城市規劃要求，原有擋土墻頂預留8m寬的道路，根據該斜坡現有特征及規劃情況，采取在原有擋土墻基礎上做錨桿+肋柱加固，確保既有擋土墻穩定，然后再根據地形，在規劃道路上施加延米10 kN荷載，進行2、3級邊坡錨桿加固，加固如圖5所示。

現以本文中的錨桿方案來研究土體失穩判別標準對應的安全系數，擬設錨索長度為11～16m不等，豎向間距3m，水平間距3m ，水平位移云圖與最大剪應變云圖，見圖6。

從圖6可以看出，邊坡塑性區整體位移大小變化不大，集中0.2m左右，集中突變位移不明顯，整體效果較好。從圖6可以看出，邊坡最大剪應變云圖分析，塑性區尚未貫通，表明邊坡穩定性較好，達到加固目的。

圖5　邊坡加固方案

6　結論

圖6治理后安全系數1.428

和位移突變不同，因此，在進行分析時，必須結合計算穩定系數一起判斷。次之，利用塑性貫通區大小和區域分布，確定錨桿穿過塑性區的長度，將錨固段設置在塑性區以外的穩定土層內，通過加固后數值計算分析，判斷其穩定性和達到的加固效果。

［1］ 鄭穎人，趙尚毅，孔位學，等. 極限分析有限元法講座——I巖土工程極限分析有限元法［J］. 巖土力學，2005，26（1）：163-168.

［2］ 欒茂田，武亞軍，年廷凱. 強度折減有限元法中邊坡失穩的塑性區判據及其應用［J］. 防災減災工程學報，2003，23（3）：1-8.

［3］ 鄭穎人，趙尚毅. 有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用［J］. 巖石力學與工程學報，2004，23（19）：3 381-3 388.

［4］ Hou Xiaoqiang and Zhang Shimin.Finite-E1ement Numerica1 Ana1ysis and Deve1opmenta1 Characteristics of the Yushu Xihang Hydropwer Station Landsi1de ［J］.Geo1ogica1 and Env ironmenta1 Sciences，2013（2）：14-19.

［5］ 郭曄， 黃新， 朱寶林.用有限元強度折減法分析路堤滑坡［J］. 路基工程， 2008 （6） ： 74 - 75.

［6］ 劉祚秋，周翠英，董立國，等. 邊坡穩定及加固分析的有限元強度折減法［J］. 巖土力學，2005（4）：558-561.

U417.1

B

1009-7716（2015）01-0031-03

2014-09-25

田樹濤（1963-），男，河南洛陽人，碩士，副研究員，從事地質災害防治及教學研究工作。