基于SRM法路基樁板墻支擋效果分析與評價

孔繁越

摘 要：文章介紹了有限元強度折減法的原理和應用情況，以某鐵路工程路基樁板墻工點為研究對象，采用Midas/GTS有限元軟件建立2D模型，基于SRM法對路塹邊坡進行二維數值模擬分析。通過對比路塹邊坡在無樁板墻和有樁板墻支護情況下的安全系數、滑動面情況及整體位移，對路塹邊坡樁板墻支擋效果作出分析及評價，為相關鐵路路塹邊坡支擋結構工程穩定性分析及設計提供參考，具有一定的創新性及工程指導意義。

關鍵詞：路塹邊坡；SRM法；樁板墻；支擋結構

邊坡穩定性一直是巖土工程中的重點問題，近年來，我國出現多起滑坡事故讓工程界更加重視邊坡穩定分析和支擋防護工作。邊坡穩定性的傳統分析方法主要有：極限平衡法、極限分析法、滑移線場法等，這些方法的理論基礎都是極限平衡理論，因為沒有考慮土體內部應力——應變關系，無法分析邊坡破壞的發生和發展過程，無法考慮變形對邊坡穩定性的影響。有限元強度折減（SRM）法不僅彌補了上述極限平衡理論的缺陷，而且具有如下優點：（1）可以不假定滑動面，也無需進行土條劃分便可以求解安全系數；（2）能夠模擬邊坡失穩過程及其滑移動面形狀。

本文采用Midas/GTS有限元軟件對某鐵路工程的樁板墻工點進行SRM法數值模擬，通過對比有無樁板墻支擋情況來評價樁板墻的支擋效果。作為巖土專業的有限元軟件，Midas/GTS為用戶提供了友好的前后處理界面，分析功能涉及所有的巖土工程問題，能夠更加真實地模擬巖土體非線性本構關系。本文邊坡穩定性分析采用SRM邊坡分析模塊，分析結果更加接近邊坡的真實狀態，符合工程實際情況。

1 有限元強度折減理論

有限元強度折減法就是在邊坡的有限元分析中，通過對坡體材料強度進行折減，使邊坡達到失穩狀態，此時抗剪強度折減的倍數即為邊坡的安全系數。1975年，Zienkiewicz等首次在土工彈塑性有限元數值分析中提出了抗剪強度折減的概念，隨后Griffiths&Lane等通過研究發現采用有限元強度折減法與傳統方法得到的穩定安全系數比較接近。隨著計算機程序的發展，有限元強度折減法逐漸成為了邊坡穩定性分析的熱點。有限元強度折減法通過計算程序能夠直觀地體現出邊坡實際的滑裂面，把強度折減理論融入彈塑性大變形有限元邊坡穩定性分析中，滿足了力的平衡條件，同時考慮了材料的應力——應變關系，計算結果比傳統邊坡穩定性計算方法更加準確、合理。而且通過軟件可以模擬邊坡逐漸破壞的過程，能夠直觀地看出滑裂面形成的過程并給出準確的安全系數。

2 SRM法2D數值模擬建模

2.1 工程概況

研究工程項目為陽泉北至大寨鐵路K108+300～K108+404路基樁板墻工點，K108+300～K108+404北側塹頂外有一水池，為避免拆掉該水池，于側溝平臺處設樁板墻進行支擋加固。工點勘探深度范圍內地層為第四系上更新統坡洪積層（Q3dl+pl）新黃土；第四系中更新統洪積層（Q2pl）老黃土；第三系上新統（N2）粉質黏土，粗圓礫土；下伏奧陶系中峰峰組（O2f）石灰巖及角礫狀泥灰巖。工點典型橫斷面圖如圖1所示。

2.2 有限元模型建模

有限元模型采用2D模型分析，模型具體尺寸、邊界條件與實際工程相同。通過DXF格式文件直接導入Midas/GTS中建模，整個模型共10232個節點，10069個網格單元，具體網格劃分如圖2。邊界約束條件為左右兩側節點約束X方向位移，底部節點為固定約束，同時添加屬性改變邊界條件來實現成樁過程。

模型的各項物理力學參數根據地質勘查報告及相應設計規范確定。具體各項巖土體及結構物的物理力學參數如表1所示。

模擬工況分為兩種：無樁板墻支擋工況和有樁板墻支擋工況。通過施工階段管理建模后，采用激活/鈍化功能來實現土體開挖和巖土性質改變的過程。施工階段分析采用Midas/GTS的SRM法邊坡模塊進行分析，進而得到相應的邊坡安全系數及施工開挖過程的位移場。

3 數值模擬結果分析

3.1 邊坡安全系數

對兩種工況進行有限元強度折減模擬，得到兩種工況相應的安全系數。圖3、4分別為無樁板墻支擋工況和有樁板墻支擋工況塑性區破壞情況。可以看出，無樁板墻支擋工況邊坡的滑動面沿坡腳劃出，邊坡安全系數為1.231，有樁板墻支擋工況邊坡的滑動面沿樁頂劃出，邊坡的安全系數為1.412。從邊坡穩定系數來說，樁板墻支擋結構起到了增強邊坡穩定性的作用，安全系數提高了14.7%。可見設置樁板墻支擋對邊坡穩定性有明顯效果。

3.2 邊坡位移場

對兩種工況位移場計算結果進行分析，選取水塘上邊緣點，水塘底邊緣點及邊坡位移最大點三處位移進行對比，評價樁板墻支擋結構對控制位移起到的效果。圖5、圖6分別為無樁板墻支擋工況總位移場和有樁板墻支擋工況總位移場。

選取水塘上邊緣點（21857號節點），水塘底邊緣點（21870號節點）及邊坡位移最大點（21824號節點）三處位移。表2、表3分別為無樁板墻支擋工況各點和有樁板墻支擋工況各點位移。

可以看出，無支擋時邊坡的最大位移87.45mm，有支擋時為85.12mm，減小了，無支擋時水塘上邊緣的位移為13.86mm，有支擋時為11.47mm，減小了17.24%，無支擋時水塘底邊緣的位移為3.13mm，有支擋時為2.16mm，減小了30.99%。樁板墻對控制水塘位移變形有明顯的作用，而對邊坡最大位移的改善并不明顯。

4 結束語

（1）本文采用Midas/GTS有限元軟件SRM法邊坡分析模塊對陽大鐵路一樁板墻路塹工點的邊坡進行2D數值模擬分析，通過塑性區破壞形態和位移云圖找到有無樁板墻支擋邊坡的滑動面及邊坡開挖對塹頂水塘的位移影響。

（2）通過數值模擬發現，有樁板墻支擋時邊坡最大位移減小2.66%，水塘上邊緣位移減小17.24%，水塘底邊緣位移減小了30.99%。

設置樁板墻對控制水塘位移變形有明顯的作用，而對邊坡最大位移的改善并不明顯。

（3）本文采用有限元方法對陽大鐵路樁板墻工點進行2D數值模擬，SRM法計算的邊坡安全系數結果可靠，對有無樁板墻支擋的邊坡位移場分析準確。模擬結果有效地評價了邊坡開挖對塹頂水塘的影響，也為設立樁板墻的合理性給出了充分的依據。總體來說，此項研究對工程本身有著積極地指導作用，對類似工程有一定的借鑒意義。

參考文獻

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