基于FLAC3D模擬天柱山邊坡的錨桿加固實例分析

李 遠，楊本水

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

2012年6月26日，布杜達地區發生山體滑坡，發生的泥石流和山體滑坡至少造成18人死亡，上百人被埋(數據來源科技快訊)。2017年8月，九寨溝景區發生地震，震后多處山體滑坡，9日起景區關閉，全力開展景區排險工作。2018年10月11日，金沙江兩岸發生山體滑坡，導致金沙江斷流并形成堰塞湖，僅白玉縣就有6個鄉鎮23個村771戶3281人受影響被轉移，政府批災物資7000頂帳篷，3萬件棉大衣，5萬件棉被，5000張折疊床(數據來源南方都市報)……

我國每年都會因山體滑坡造成巨大的經濟損失與嚴重的人員傷害，山體滑坡危害大，主要以壓埋的方式給坡腳的人員、財產、生態帶來毀滅性的損害。滑坡對工程建設有著巨大的負面影響，嚴重的會直接毀壞建筑，大規模的滑坡，可以堵塞河道、摧毀交通、破壞廠礦，甚至掩埋村莊。對邊坡進行加固維護，提升邊坡的安全性，不僅是避免資源流失，更是對人民安全的保障。近年來，噴漿錨桿支護以顯著提高并最大限度地利用邊緣土體固有力學強度，變土體固有荷載為錨桿支護結構體系的重要組成[1]。噴漿錨桿支護通過錨桿以及表面設置鋼筋網并高壓噴射混凝土，把不穩定面層與內錨及附近相連，減少土體移動，避免表面因風化與雨水沖刷而滑落，提高坡體的整體性與穩定性。錨桿支護具有工藝簡潔、方便、穩定性強、耐久性高、安全經濟等特點，是邊坡防護的重要手段之一。

1 FLAC3D簡介

FLAC3D是由美國itasca公司開發的一種模擬仿真計算軟件，是對二維有限差分程序FLAC2D的擴展，能夠對土體、巖石和其他材料進行三維結構的受力特性模擬和塑性流動分析[2]。通過調整網格中的多面體單元來擬合實際的材料，材料受外力發生形變位移，網格能夠相應地發生形變。確定有限差分網格、本構特性與材料性質和邊界條件與初始條件是建立FLAC3D模型必不缺少的工作，一般的FLAC3D求解流程如圖1所示。

2 工程概況

天柱山工程區地貌類型為丘陵地貌，位于天柱山景區東部。邊坡巖體基巖出露，巖體主要由厚層狀石英砂巖構成，巖體類型Ⅱ～Ⅲ類，破碎節理裂隙發育，有順坡向結構面發育，邊坡走向NE向，坡度為45°～65°。D-E段邊坡巖性為風化花崗巖，地貌見圖2，坡腳長58 m，坡高35～57 m，走向N25°E。馬道以上巖體破碎，坡頂積層厚0.2～0.5 m，強風化層厚約2～3 m，節理裂隙發育，坡度45°～60°，坡腳高10～35 m；馬道以下巖體完整，節理裂隙不發育，坡度50°～60°，坡腳高15～18 m，巖石力學參數見表1。本文運用FLAC3D，對天柱山工程D-E段邊坡的初始狀態與錨桿支護條件下進行模擬，對比支護前后的坡體應力變化與位移變化，并用強度折減法得出支護前后的安全系數，從而分析錨桿支護對邊坡的穩定性能的影響。

圖1 FLAC3D一般求解流程

圖2 D-E段邊坡工程地質特征

D-E段邊坡結構面赤平投影圖如圖3，根據赤平投影分析，馬道以上邊坡開挖邊坡與結構面3斜交，角度小于開挖傾角，存在單面滑動隱患；巖層4與結構面3相互切割，有楔形體失穩的隱患，穩定性差，有失穩的隱患，故存在研究意義。

圖3 D-E段邊坡結構面赤平投影圖

表1 巖體物理力學參數指標

3 強度折減法的基本原理

強度折減法通常應用于安全系數的計算，它是通過逐步減小材料的強度使邊坡達到極致平衡來實現的[3](P330)。安全系數F的定義公式為：

式中：Ctrial——折減后黏聚力

φtrial——折減后內摩擦角

Ftrial——折減系數

通過分段不斷折減局部黏聚力以及摩擦系數直至發生臨界破壞，這種基于局部強度折減法算得的折減系數即為邊坡的安全系數。在FLAC3D軟件中，通過SOLVE fos命令執行強度折減程序，從而得出安全系數。

4 數值模型建立

4.1 自然狀態下模型建立

模擬采用庫倫-摩爾本構模型，模擬馬道以上邊坡，直角坐標系模擬[4]。東西方向為X軸，正方向為向東，南北方向為Y軸，正方向為向北，垂直方向為Y軸，正方向為向上，坐標系原點為模型左下角。底部基巖模型尺寸為60×10×12 m(長×寬×高)，邊坡尺寸36×10×12 m(長×寬×高)，坡腳角度為45°。約束條件：左右邊界與下部邊界設水平約束，垂直約束為下部邊界，上部設為自由面，三維數值模型圖如圖4。

圖4 自然狀態下邊坡數值模型

4.2 錨桿支護模型建立

經設計，支護的錨桿間距為3.0 m×2.0 m，底部的三根錨桿長度為3.0 m，其他錨桿長度為6.0 m。考慮到邊坡穩定性差，采用C20混凝土對邊坡進行噴射加固，噴固的混凝土層內設置鋼筋網片，鋼筋直徑6.5 mm，間距150 mm，噴射混凝土厚度15 mm。加固采用的錨桿力學參數詳見表2，采用FLAC3D數值模擬的cable模塊對錨桿進行模擬[5]。模型的坐標系、邊界、約束條件與自然狀態下相同，三維數值模型圖如圖5。

表2 錨索體物理、力學參數指標

5 自然狀態下與錨桿支護下FLAC3D數值模擬結果對比分析

5.1 垂直位移云圖對比

自然狀態下垂直位移云圖與錨桿支護后垂直位移云圖分別如圖6、圖7，垂直位移向上為正。可以看出，垂直位移都是隨著邊坡的高度增大而增大，最大垂直位移都在坡頂。自然狀態下坡體最大位移為35.30 cm，支護后最大垂直位移為8.63 cm，縮小為自然狀態下的24.4%。自然狀態下，邊坡有比較大的位移量，底部基巖幾乎沒有垂直位移，而支護后，邊坡位移量減小，底部基巖也發生微小的垂直位移。可以得出，坡體在自然狀態下整體性差，除了邊坡，坡體無垂直位移發生；通過錨桿加固后，坡體整體性強，除邊坡，基巖也發生微小的垂直位移，邊坡位移量顯著減小。

圖6 自然狀態下垂直位移云圖

圖7 錨桿支護后垂直位移云圖

5.2 水平位移云圖對比

自然狀態下水平位移云圖與錨桿支護后水平位移云圖分別如圖8、圖9，水平位移向右為正。可以看出，水平位移主要集中在邊坡，最大水平位移都發生在坡底，并且隨著邊坡高度的增加，邊坡水平位移逐漸減小。自然狀態下，坡腳的水平位移為47.17 cm，錨桿支護后坡腳水平位移為8.36 cm，減小為自然狀態下的17.7%。自然狀態下，邊坡位移量大，但是基巖無位移量，水平位移云圖呈圓弧狀。通過錨桿加固后，邊坡水平位移量顯著減小，同時基巖產生水平位移，靠近坡腳處位移量最大，為4.63 cm，并向左右兩邊逐漸減小。可以得出，自然狀態下，坡體整體性差，只有邊坡發生水平位移，位移量大；錨桿加固后，坡體整體性強，邊坡位移量小。

圖8 自然狀態下水平位移云圖

圖9 錨桿支護后水平位移云圖

5.3 垂直應力云圖對比

圖10 自然狀態下垂直應力云圖

自然狀態下的垂直應力云圖與錨桿支護后的垂直應力云圖分別如圖10、圖11。通過對比，可以看出前后垂直應力云圖基本相似，最大垂直應力都在底部，并且數值上基本相等。垂直應力呈條帶狀分布，平行于自由面。說明坡體在垂直方向上，只受重力作用影響，支護錨桿對坡體的垂直應力分布無影響。

圖11 錨桿支護后垂直應力云圖

5.4 水平應力云圖對比

自然狀態下的水平應力云圖與錨桿支護后的水平應力云圖分別如圖12、圖13。對比水平應力云圖，發現最大的水平應力都在坡體底部，并隨著高度的增加而逐漸減小。自然狀態下邊坡水平應力最大值為225.3 KN，最小水平應力為10.2 KN；錨桿支護后，邊坡最大水平應力為63.7 KN，最小水平應力為22.5 KN。自然狀態下水平應力分布不呈規律性，且靠近剖面處水平應力變化大。錨桿加固后，水平應力呈條帶狀分布，邊坡右側水平應力相近，說明坡體內部相互作用力強，整體性好，抵抗外力能力強。

圖12 自然狀態下水平應力云圖

5.5 邊坡穩定性對比

自然狀態下與錨桿支護后的位移矢量圖分別如圖14、圖15。對比位移矢量圖，可以得出以下結論：自然狀態下，邊坡位移量大，整體由坡頂向坡腳方向滑移，邊坡處于失穩狀態；錨桿加固后，坡面位移量小，只有坡頂與坡腳發生較小的位移，邊坡處于穩定狀態。

圖13 錨桿支護后水平應力云圖

圖14 自然狀態下位移矢量圖

圖15 錨桿支護后位置矢量圖

根據《建筑邊坡工程技術規范》規定：安全系數F<1.0，邊坡不穩定；1.00≤F<1.2，邊坡欠穩定；1.2≤F<1.3，邊坡基本穩定；F≥1.3，邊坡穩定。FLAC3D數值模擬軟件計算出，支護前的安全系數為0.848，邊坡不穩定；支護后的安全系數為1.810，邊坡穩定。

6 結論

通過對比分析，在自然狀態下的邊坡與基巖相對獨立，坡體整體性差，邊坡在重力作用下易發生滑移，坡面不穩定。通過錨桿加固后，增加了邊坡與坡體的相互作用力，增加了整個坡面的整體性，有效地抵制了外力對坡面的破壞，加強了邊坡的穩定性，從而大大減小了滑坡造成的危害。