基于邊坡變形測量的數值模擬與穩定性分析

陳燕青 甘 濤 劉 波

(1.廣州大學土木工程學院防災研究中心 廣東 廣州 510000;2.廣州南洋理工職業學院 廣東 廣州 510006)

基于邊坡變形測量的數值模擬與穩定性分析

陳燕青1,2甘 濤1,2劉 波1,2

(1.廣州大學土木工程學院防災研究中心 廣東 廣州 510000;2.廣州南洋理工職業學院 廣東 廣州 510006)

隨著我國山區公路工程的迅速發展，縱橫交錯的新交通網的建設，低級公路的拓寬改建升級涉及大量的開挖路塹邊坡工程。為確保邊坡的安全，邊坡的監測方法與穩定性分析正逐年受到重視。文章結合佛山廣明高速K66 010～K66 460段邊坡工程，建立了路塹邊坡在錨桿支護下的二維有限元模型，探討了邊坡支護措施中錨桿損傷程度對邊坡的穩定性影響，并根據計算結果與監測數據分析提出邊坡位移預警值、報警值。

路塹邊坡；錨桿支護；數值模擬；預警值

引言

在地質災害防治領域中，國際上將地震、滑坡、泥石流并列為全球性三大地質災害，可見滑坡作為地質災害的一種，常常威脅著人類的生存與國家的發展。影響邊坡穩定的因素中防護與加固工程某種情況下對滑坡產生起到至關重要的作用。因此防護預加固工程對邊坡的安全性的研究顯得尤為重要。這其中錨桿在加固工程起到決定性的作用。目前，壓力珠江加固手段及框架錨固結構越來越多地用于路塹邊坡的防治，它能最大限度的保持巖體的完整性、穩定性，能有效地控制巖體變形、位移和裂縫的發展，充分發揮巖體自身的支撐作用。滑坡的邊坡工程的穩定性分析歷來是工程界和學術界極為關注的研究課題,而邊坡穩定性分析和評價一直是邊坡工程的核心問題。

一、工程概況及穩定性分析過程

(一)工程概況

地形：丘陵，地勢起伏較大，地面高程18.0～112.0m

地震：根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001),勘察區50年超越概率10%地震動峰值加速度系數為0.05g,地震反應譜特征周期為0.35s，相應的地震基本烈度為6度。

K66+230-450左、K66+010-K66+460右側地面線較陡，且地質不佳，設計采用預應力錨索加多級樁板式擋土墻進行防護。

樁板墻樁長度12-20m不等，根據地質情況分段采用不同截面尺寸的樁。K66+010-K66+190右側第1級樁采用1.5m×2m矩形斷面，第2級樁采用2m×3m矩形斷面；K66+196-K66+244右側樁采用1.5m×2m矩形斷面；K66+244-K66+310右側第1排樁均采用2m×3m矩形斷面，第2排樁均采用1.5m×2m矩形斷面，K66+316-K66+454右側第1、2級樁截面尺寸應為2m×3m矩形斷面。；K66+232-K66+448左側第1級樁采用2m×3m矩形斷面，第2級樁采用2m×3m矩形斷面。地面以上部分在矩形截面兩側各加厚0.5m、寬0.65m作為翼緣板，樁采用現澆C25。兩樁之間設擋土板，擋土板為預制C30，樁中到中間距6m。

樁頂以下，距樁頂3m處設預應力索1根，預應力錨索采用4Φj15.24高強低松弛鋼絞線。每根錨索設計張拉力300kN，采用XM15-4型錨具。預應力錨索施工時超張拉力值為設計值的1.0-1.1倍。預應力錨索施工前必須進行現場抗拔試驗，通過試驗指導施工。

錨索鉆孔應采用風動干鉆施工法，不能采用水鉆，鉆孔直徑、深度等均應滿足設計要求，所鉆錨孔應保持孔內清潔，孔壁無污染物，以確保水泥漿體與巖體的粘結強度。如遇地層松散、破碎時，應采用跟套管的鉆進技術，以使鉆孔完整不塌。所使用的錨索應做好防腐處理，并在運輸及下錨過程中不得損傷防護措施。

樁長12m時，要求錨固段長度不小于6m；樁長20m時，要求錨固段長度不小于10m。

(二)邊坡穩定性分析方法。20世紀 70 年代末，英國科學家 Zienkiewicz 提出在有限元中采用增加外荷載或降低巖土強度的方法來計算巖土工程的安全系數，當采用降低強度的方法時，就是有限元強度折減法。有限元強度折減法是通過不斷降低邊坡巖土體抗剪切強度參數直至達到極限破壞狀態為止，程序自動根據彈塑性有限元強度計算結果得到邊坡滑動破壞面，同時得到邊坡的強度儲備安全系數。有限元強度折減法全面滿足了靜力許可、應變相容，以及土體的非線性應力-應變關系，具有如下: 在求解安全系數時不需要假定滑動面的形狀和位置而是由程序自動求出滑動面; 可以根據巖土介質與各種支擋結構的共同作用計算各種支擋結構的內力; 可求出各種支擋結構作用下邊坡的新滑面與穩定安全系數; 能夠對具有復雜地貌、地質的邊坡進行計算不受邊坡幾何形狀、邊界條件以及材料的不均勻性限制; 能夠模擬邊坡的漸進破壞過程，并提供應力、應變和位移等力與變形的全部信息。

在非線性邊坡穩定性中，通過下式對折減巖土體的黏聚力和摩擦角進行折減:

c′=c/F

(1)

φ′=arctan(tanφ/F)

(2)

式中: F為折減系數，即可能的安全系數; c，φ，c′，φ′分別為折減前、后的黏聚力和內摩擦角。

本文將采用有限元軟件建立模型，利用有限元強度折減法進行模擬分析，計算路塹邊坡在不同損傷程度下的安全系數，驗證邊坡穩定性，進而推算出邊坡的預警值與報警值，同時對比實際測量數據對富灣邊坡的穩定狀態進行分析。

(三)數值模擬。根據已有的工程概況數據我們建立相關的有限元分析模型，模型的參數如下表1。

表1 模型參數

在穩定性分析時，為了方便分析在建立模型時通常經過以下幾種假設：不考慮土體接觸面；假設土層是均勻的，將土層理想化了；不考慮施工附加的荷載對土體表面產生的應力；單元類型為平面應變，采用D-P屈服準則。經過理想假設后使得邊坡穩定性分析更為快速便捷。模型尺寸如下圖1。

模型結點數為13146個，單元數為6570個，如下圖2。

圖1 邊坡模型尺寸

圖2 邊坡有限元模型

根據《建筑邊坡工程技術規范》，在邊坡工程建設和監測期間，應當及時報告可能出現災害情況，并采取相對應的應急解救措施。本工程邊坡高度為22.5m，其監測報警值為225000/500mm和20mm的較小值，即報警值為20mm。

根據模型計算當邊坡擋墻和錨桿處于正常情況下時的邊坡水平方向變形和應力情況，我們假定錨桿加固在各種因素中對邊坡的穩定性起到主要作用。在實際監測過程中，我們發現錨桿的部位有滲水現象，故而將錨桿的損傷作為模擬中主要影響穩定性因素，設定錨桿在模擬中截面積的變化來表示邊坡的損傷程度，得出以下結果。如圖3所示。

圖3 結點位移

從計算結果可以看出當損傷不斷增大時，各結點的水平位移呈現出增大的趨勢，并且可以看出損傷在0-80%結點水平位移增長速度比較慢，損傷大于80%時增長速度明顯增大。同時，不同位置的結點它們的增長速度也不一樣，從上圖4-20可以看出106結點的增長速度大于2結點的增長速度；2結點的增長速度大于13007結點的增長速度；13007結點的增長速度大于2935結點的增長速度。

二、監測結果分析

實際檢測結果通過數據處理得出，對監測數據求取平均結果(消除測量點受行車、溫度等不定因素的影響)如下圖實際各測點位移的平均值基本呈直線狀，對比模擬結果，此時的邊坡損傷較小，邊坡處于穩定狀態。

圖4 測點1平均值

圖5 測點2平均值

圖6 測點3平均值

圖7 測點4平均值

圖8 測點5平均值

三、結論

(1)滑坡是一個逐漸發展的過程，并且是由慢到快，越到后面發展越快，這對邊坡的監測不利；等到邊坡位移達到國家規定的20mm，邊坡基本已經破壞，為了使邊坡能夠保持在穩定狀態，在錨桿的損傷程度為50%時，設定提醒值，表明邊坡錨桿已損傷了50%要開始對其重視；

(2)在錨桿的損傷程度為80%時，設定報警值，從上面的模擬計算中可以得此時結點106的水平位移為8.3mm，結點2的水平位移為3.5mm，結點13007的水平位移為5.4mm，結點2935的水平位移為1.5mm。當實時監測數據出點8.3mm時，系統自動報警，接到報警后要對邊坡進行詳細的檢查，并對邊坡進行加固，防止邊坡的破壞。

(3)通過微動測量儀的實時監測，可以對邊坡的位移進行實時的監測，當監測數據出現設定的報警值時，需要對邊坡進行詳細的勘查，并對其進行加固。

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陳燕青(1992-)，男，碩士研究生。