尾礦堆壩加固工程的穩定性分析

余 浩

（廣東省地質局第三地質大隊，廣東 韶關 512026）

土工合成材料是指工程建設中應用的與土、巖石或其他材料接觸的聚合物材料的總稱，被譽為與鋼材、水泥、木材齊名的“第四種工程材料”，廣泛應用于巖土、水利及土木工程等領域中[1]，包括土工織物、土工膜、土工格柵、土工帶、土工格室、土工網等。土工格柵作為一種主要的土工合成材料，為采用抗拉條帶單元結合形成的有規則網格型式的加筋土工合成材料，其開孔可容填筑料嵌入[2]，能有效的提高加筋承載面的嵌鎖、咬合作用、極大程度的增強地基的承載力、有效的約束土體的側向位移，增強土體穩固性能。永川區中山路儲備地塊道路及配套管網工程E 路K0+480～K0+600段左側路基采用加筋土支護邊坡，坡率為1:0.25，最大高度7m，筋材采用整體鋼塑土工格柵，鋪設寬度7m，豎向間距0.4m[3]；渝鄂直流背靠背聯網工程北通道換流站四通一平工程，回填邊坡主要采用土工格柵分級放坡處理，最大坡高27m，坡率為1:1.00～1:075[4]。本文以某工程的土工格柵加筋土坡為工程案例，采用GEO5 土質邊坡穩定分析模塊及巖土工程有限元分析模塊對土坡在加筋前及不同筋材間距的邊坡穩定性進行了對比分析。

1 工程概況

該工程為一歷史博物館，使用年限為100 年，選址位于一山頂上。其北側觀景平臺完成面標高與建筑周邊紅線地形最低處標高之間的高差為22.79m，須進行邊坡支護設計。

根據勘察報告，擬建邊坡處所揭露地層為第四系坡殘積層，以含碎石粉質黏土主，底部為石炭系強風化泥質粉砂巖及灰巖。場地巖土層力學參數見表1。

從場地地形、施工條件、工程總體造價及施工進度等多方面綜合分析并進行方案比選后，最終決定采用底部采用混凝土重力式擋土墻，上部采用加筋土坡的支護方式。最不利處，底部擋土墻頂寬為1.4m，基礎埋深2.62m，出露高度6m，以含碎石粉質黏土作為持力層。為減小擋墻后方主動土壓力，墻頂后方設置3m 寬的平臺。上部加筋土坡高16.79m，分兩級，在8.5m 高處設置一寬2m 的平臺，坡率均為1:1.00，筋材滿鋪。坡底模擬施工對山坡進行臺階式切坡處理，邊坡工程安全等級為一級。剖面模型如圖1 所示。

圖1 邊坡剖面模型（筋材間距0.3m）

2 對比分析結果

土坡填土采用就近山體開挖土方，根據當地經驗，經分層壓實后，重度為19kN/m3，黏聚力取為5kPa，內摩擦角取為25°。筋材采用HDPE 雙向拉伸塑料土工格柵，考慮長期蠕變、老化折減，抗拉強度取為44kN/m。擋土墻定義為剛性材料，觀景平臺的荷載取為10kN/m2。本次采用GEO5土質邊坡穩定分析模塊及巖土工程有限元分析模塊，分別按無筋材，筋材間距為0.6m、0.5m、0.4m、0.3m 五種模型進行邊坡的整體穩定性對比分析。

（1）GEO5 土質邊坡穩定分析模塊分析結果。本次分析采用畢肖普法及摩根斯頓—普賴斯法，具體分析結果分別見表2 及表3。

表2 邊坡安全系數與筋材間距關系對照表（畢肖普法）

表3 邊坡安全系數與筋材間距關系對照表（摩根斯頓—普賴斯法）

根據分析結果，兩種方法計算所得潛在滑動面位置相近。當邊坡不設置筋材時，安全系數最低，潛在滑動面位于擋土墻以上、填土內部，兩種算法所得的安全系數相差不大；設置筋材后，潛在滑動面越過擋土墻底部，安全系數較不設筋材時有了較大提高，如圖2、圖3 所示。邊坡的整體安全系數隨筋材間距縮小而逐漸增大，并且，采用摩根斯頓—普賴斯法計算所得的安全系數比畢肖普法的要大，大約5%～7%。這是由于畢肖普法假定條塊間只有水平作用力而不存在切向力，不能滿足條塊的力矩平衡條件；而摩根斯頓—普賴斯法，各條塊需要同時滿足作用力和作用力矩的平衡條件。

圖2 坡體潛在滑動面（無筋材）

圖3 坡體潛在滑動面（筋材間距0.3m）

（2）GEO5 巖土工程有限元分析模塊分析結果。本次分析對巖土體材料選用修正摩爾—庫倫彈塑性模型，其余參數取值與土質邊坡穩定分析模塊中的一致。底部的邊界條件采用固定邊界，左右兩側邊界采用水平向固定，豎向自由的類似滑動支座的約束邊界。具體分析結果見表4。

表4 邊坡安全系數與筋材間距關系對照表（有限元法）

根據有限元分析結果，當邊坡不設置筋材時，安全系數最低，塑性應變區位于擋土墻以上；設置筋材后，受筋材的約束，安全系數較不設筋材時有了較大提高，塑性應變區主要位于擋土墻底部附近原狀土區域，如圖4、圖5 所示。邊坡的整體安全系數隨筋材間距縮小也逐漸增大。

圖4 坡體塑性發展區（無筋材）

圖5 坡體塑性發展區（筋材間距0.3m）

由圖4、圖5 可見，有限元方法顯示的是塑性發展變形情況，塑性應變區近似成帶狀。對比土質邊坡穩定分析模塊的分析結果，三種方法計算出的滑動面位置及形狀大致相同，近似為圓弧形。但總體上，有限元計算得出的安全系數要大于肖普法及摩根斯頓—普賴斯法的計算結果。分析原因，可能是肖普法及摩根斯頓—普賴斯法的基本思路，是把滑動土體分割成有限寬度的土條，并把土條當成剛體，根據靜力平衡條件和極限平衡條件求得滑動面上力的分布，從而計算出穩定系數。但實際上土體是變形體而不是剛體，用分析剛體的辦法，不滿足變形協調條件。而有限元就是把土坡當成變形體，按照土的變形特性，計算土坡內的應力分布，最后按設定的材料本構模型計算土體的塑性變形及安全系數。

最終，在綜合考慮其他因素后，本工程筋材的豎向間距取為0.3m。

3 結論

通過采用肖普法、摩根斯頓—普賴斯法及有限元法對同一工程進行計算分析，結果表明：土坡在設置筋材后，安全系數較不設筋材時提高較多。邊坡的整體安全系數隨筋材間距縮小而逐漸增大，并且，采用摩根斯頓—普賴斯法計算所得的安全系數比畢肖普法的要大，大約5%～7%。采用不同分析方法得出的滑動面位置大體相似。有限元法在考慮了土體的受力變形后，計算所得的安全系數要高于肖普法及摩根斯頓—普賴斯法。