基于數值模擬的順層巖質邊坡抗滑樁支護設計

王張軍

（湖南省湘西公路橋梁建設有限公司，湖南吉首 416000）

基于數值模擬的順層巖質邊坡抗滑樁支護設計

王張軍

（湖南省湘西公路橋梁建設有限公司，湖南吉首 416000）

以湖南某高速公路順層巖質邊坡為例，利用FLAC3D軟件模擬分析了順層巖質邊坡開挖前后的安全系數、剪切應變、沉降位移、水平位移變化，并采用抗滑樁對開挖后的順層巖質邊坡進行支護，模擬分析抗滑樁支護對邊坡穩定性的支護效果。結果表明，該邊坡在自然狀況下整體穩定，進行開挖后易發生垮塌，采用抗滑樁支護措施對其穩定性具有一定積極效果。

公路；順層巖質邊坡；抗滑樁；數值模擬

工程建設中會對原有巖土體造成不同程度的擾動，可能使邊坡發生重大變形，甚至導致路基邊坡發生整體失穩。在發生垮塌的邊坡或具有潛在垮塌危險的邊坡中，順層巖質邊坡占據大多數。如果處置不當，在工程建設及后期運營期間可能發生嚴重的災害。所以對開挖后的順層巖質邊坡進行穩定性分析并對可能發生垮塌的邊坡采取支護措施是亟需解決的問題。

在順層巖質邊坡穩定性研究方面，劉才華等認為順層巖質邊坡的穩定性主要取決于滑動面的物理力學性質和地下水對邊坡巖土體的水壓力；李云鵬等認為順層巖質邊坡的破壞主要表現為剪切滑動；許寶田等利用數值軟件研究了多層含軟弱夾層順層巖質邊坡的失穩機制。在順層巖質邊坡支護方式研究方面，黃潤秋、史振興等從工程地質的角度對順層巖質邊坡的變形機制進行分析，提出了預應力錨索和抗滑樁的加固方案。在數值模擬方面，主要是利用有限元或有限差分法建立二維或三維數值計算模型，研究樁-土相互作用下樁身變形與內力分布及樁周土體應力和變形情況。在試驗研究方面，主要是通過室內小比尺物理模型與離心試驗等，直觀研究樁-土相互作用及抗滑樁的工作性能。上述研究并未對順層巖質邊坡開挖過程及抗滑樁加固后的穩定性進行分析。該文依據某高速公路順層巖質邊坡，運用FLAC3D軟件分析邊坡開挖過程及采取相應支護措施后的穩定性。

1　工程概況

某高速公路K51+820—960段順層巖質邊坡高約20m，坡度約45°，下伏基巖為三疊系下統夜郎組灰巖與泥巖互層。產狀為326°∠39°，坡向327°，與巖層面傾向的夾角為60°，屬于順層巖質邊坡，產生順層滑動的危險性大（見圖1）。線路從斜坡體中下部通過，植被較發育，局部基巖出露，開挖施工會影響邊坡的穩定性，需采取抗滑樁對其進行支護。為驗證抗滑樁支護邊坡的可靠性，采用FLAC3D軟件對邊坡開挖及支護過程進行數值模擬分析。該邊坡中風化泥巖的基本參數見表1；樁結構采用FLAC3D中的Pile模擬，各項參數見表2。

圖1　K51+820—960段邊坡剖面示意圖

表1　邊坡巖土體物理力學參數

表2　抗滑樁計算力學參數

2　數值模型的建立

根據該順層巖質邊坡的實際情況建立數值計算模型，取邊坡高度為20m，坡度為30°，模型下邊界為62m，左邊界為40m，右邊界為20m，上邊界為18m，坡腳至右邊界約為10m（見圖2）。模型的下邊界固定，側向約束水平位移，上部為自由邊界，采用Mohr-Coulomb準則描述土體的應力-應變關系，將自重應力場作為邊坡的初始應力場。

圖2　K51+820—960段邊坡數值計算模型（單位：m）

3　計算結果與分析

3.1邊坡開挖前穩定性分析

利用FLAC3D對該順層巖質邊坡進行穩定性分析，采用強度折減法計算邊坡的安全系數。計算得開挖前邊坡的安全系數為1.22，圖3～5為未開挖邊坡剪切應變增量云圖、沉降位移變化云圖和水平位移變化云圖。

由圖3可知：未開挖邊坡的剪切應變最大值出現在邊坡坡腳附近及距離坡腳一定高度處，說明當邊坡發生擾動時，可能從坡腳處與距坡腳一定距離處滑出。工程實際中，邊坡的失穩往往是從坡腳開始，模擬結果較符合工程實際。

圖3　未開挖邊坡剪切應變增量云圖

圖4　未開挖邊坡沉降位移變化云圖（單位：m）

圖5　未開挖邊坡水平位移變化云圖（單位：m）

由圖4和圖5可知：邊坡的最大沉降為0.029 m，水平位移最大值為0.053m，對邊坡安全穩定性的影響較小。

綜上，該邊坡在自然狀況下整體穩定，但對其進行開挖或在外部不利因素作用下，邊坡有可能從坡腳或距坡腳一定高度處滑出。

3.2邊坡開挖后穩定性分析

對邊坡進行開挖，開挖高度為9m，計算開挖時邊坡的穩定性，得開挖后邊坡的安全系數為1.105，圖6～8為開挖后邊坡剪切應變增量云圖、沉降位移變化云圖和水平位移變化云圖。

圖6　開挖后邊坡的剪切應變增量云圖

圖7　開挖后邊坡沉降位移變化云圖（單位：m）

圖8　開挖后邊坡水平位移變化云圖（單位：m）

由圖6可知：邊坡開挖時，剪切應變主要分布在邊坡內部和開挖面附近的土體，并且在邊坡開挖面附近貫通，剪切應變增量最大值主要出現在坡腳處。

由圖7、圖8可知：邊坡的沉降位移最大值為0.057m，出現在邊坡開挖面處；水平位移最大值為2.12m，出現在坡角處。綜上，對該邊坡進行開挖時，邊坡由穩定狀態轉變為不穩定狀態，在強降雨條件下可能由坡腳處滑出，需采用抗滑樁進行支護。

3.3邊坡抗滑樁支護后穩定性分析

為確保施工及后期運營安全，采用抗滑樁對該順層巖質邊坡進行支護（見圖9），并利用FLAC3D建立數值模擬計算模型（見圖10），計算分析抗滑樁支護后邊坡的穩定性。計算得支護后邊坡的安全系數為1.25，圖11～13為支護后邊坡的剪切應變增量云圖、沉降位移變化云圖和水平位移變化云圖。

圖9　抗滑樁支護邊坡示意圖

圖10　抗滑樁支護邊坡計算模型

圖11　支護后邊坡的剪切應變增量云圖

圖12　支護后邊坡的沉降位移變化云圖（單位：m）

圖13　支護后邊坡的水平位移變化云圖（單位：m）

由圖11可知：支護后邊坡的剪切應變變化主要出現在邊坡內部，剪切應變增量最大值出現在坡腳的局部，未支護時邊坡開挖面附近的剪切應變并未出現，說明抗滑樁支護邊坡具有一定效果。

由圖12、圖13可知：支護后邊坡的沉降位移最大值為0.012m，出現在抗滑樁的頂部；水平位移最大值為0.035m，出現在坡角處。

綜合邊坡的安全系數及剪切應變、沉降位移與水平位移云圖，采用抗滑樁支護措施對邊坡的穩定性產生了積極的效果。

4　結論

（1）順層巖質邊坡在自然狀況下的安全系數為1.22，最大沉降位移為0.029m，最大水平位移為0.053m，整體穩定。

（2）順層巖質邊坡開挖后安全系數為1.105，最大沉降位移為0.057m，最大水平位移為2.12m，開挖處存在兩處剪切應變，且開挖面附近的剪切應變貫通，說明順層巖質邊坡在開挖后容易發生垮塌事故。

（3）采用抗滑樁支護后，順層巖質邊坡的安全系數為1.25；沉降位移最大值為0.012m，出現在抗滑樁的頂部；水平位移最大值為0.035m，出現在坡角處。說明采用抗滑樁支護措施對邊坡的穩定性具有一定積極效果。

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U416.1

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