Midas GTS-NX在機場邊坡動態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用

■ 王靜

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，貴州 安順 561000）

滑坡是常見的一種易發(fā)和危險性極大的工程地質(zhì)災(zāi)害問題之一[1]。隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展和國家“十三五”規(guī)劃的開展，為了加快我國西部基礎(chǔ)建設(shè)的進展，克服不利地形對交通建設(shè)的不利影響，航空運輸因為便捷、快速的特點，其得到了廣泛的應(yīng)用[2][3]，機場跑道占地面積大、跑道長度長，山區(qū)自然地形條件不能很好滿足機場建設(shè)的需要，各國普遍采用高填方邊坡的形式填筑機場，同時高邊坡引發(fā)次生危害[4][5]；研究了國、內(nèi)外學(xué)者針對機場邊坡的失穩(wěn)問題開展了很多研究，普遍認(rèn)為在機場高填方填筑中引起的邊坡失穩(wěn)原因主要是人為因素和不良地質(zhì)條件。近年來,有學(xué)者通過分析現(xiàn)場勘查技術(shù)，結(jié)合有限元軟件建立場區(qū)邊坡數(shù)值模型，計算并分析極端工況下的應(yīng)力、應(yīng)變，分析邊坡潛在變形機理，為工程設(shè)計階段提供參考，利用有限元法對機場高填方邊坡填筑施工過程的分析，研究施工中邊坡場區(qū)荷載激勵下的應(yīng)力、位移場的變化，提供一定的動態(tài)施工的參考依據(jù)[6]。針對我國西部某機場高填方邊坡的填筑中邊坡對周圍村莊及邊坡自身穩(wěn)定性的數(shù)值模擬，研究填方邊坡的變形機理及穩(wěn)定程度，并對穩(wěn)定程度較低的邊坡采用相對應(yīng)的加固措施，達到經(jīng)濟、適用、安全和美觀的要求。

一、工程概況

我國西北部某新建機場，由于地處黃土高原腹地，為了克服山區(qū)溝壑無法滿足修建機場跑道的天然不利因素，通常采用挖填方式整平場地的方式修筑，利用對應(yīng)的地基處理技術(shù)經(jīng)處理后才是處理機場跑道的比較有效的途徑之一[7]，但填土高度增加，極易引發(fā)邊坡失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害問題。在高填方施工中引發(fā)老滑面失穩(wěn)。

二、有限元法

為了分析機場高填方邊坡變形機理，研究邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，并選擇合理、經(jīng)濟的支護方式，利用巖土有限元軟件Midas GTSNX模擬填方邊坡，得到不同工況條件下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，通過安全系數(shù)與規(guī)范比較，判斷邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)計算推力結(jié)果加固潛在不穩(wěn)定的邊坡，計算加固后邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，對比穩(wěn)定系數(shù)判斷邊坡治理效果。Midas GTSNX中采用的有限元法分為強度折減法（SRM法）和有限元法（SAM法），本次建模分析高填方邊坡初始及加固后的穩(wěn)定狀態(tài)，填方土體主要為素填土，為了模擬效果盡可能接近實際，本次采用的基本理論假設(shè)為土體均質(zhì)、邊坡單元約束條件為底部剛接，左右兩邊鉸接，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，采用SRM法計算，不斷折減土體的抗剪強度指標(biāo)c、φ，也就是說假定滑體處于極限平衡狀態(tài)，通過不斷折減滑動面位置的抗剪指標(biāo)使塑性區(qū)范圍不斷擴大，當(dāng)滑動面的塑性區(qū)出現(xiàn)貫通時，則滑坡坡體已處于極限狀態(tài)，邊坡數(shù)值分析過程中不斷增加折減系數(shù)，反算至其達到臨界破壞，折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)Fs，強度折減法計算公式如公式（1）、公式（2）所示。

其中，CF-折減后的黏結(jié)力，φF-折減后的摩擦角，F(xiàn)trial-折減系數(shù)。

巖土中邊坡計算相對結(jié)構(gòu)計算而言，由于巖土是一種比較復(fù)雜、非均勻和非各向同性材料，因此巖土工程分析的滑坡，設(shè)計中通常采用“工程類比法”[8]，但也存在設(shè)計工作量大、對滑坡滑動認(rèn)知不足的缺點，為了克服設(shè)計中不利因素，減輕設(shè)計人員的工作量及加深對滑坡變形機理和特征的認(rèn)識，通常利用有限元軟件可以在缺乏工程經(jīng)驗或者前期為了預(yù)測坡體在不利工況下變形趨勢和分析影響邊坡穩(wěn)定性的因素。

計算滑面的土體抗剪強度指標(biāo)及防護工程的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

為了準(zhǔn)確分析老滑坡體與高填方邊坡耦合體系協(xié)同上的變形機理、滑動趨勢和變形特征等，建立老滑體與高填方邊坡耦合協(xié)同體系數(shù)值模型，如圖1所示。利用midas的Mohr-Coulomb單元，劃分成四面體+三角單元建立考慮土體、樁土的接觸單元的耦合有限元模型組合模型，模型的單數(shù)量為6276個，考慮材料非線性效應(yīng)，為了加快收斂速度，采用弧長法搜索最不利位置的滑面，有限元模型如圖1所示，求解的潛在滑動面如圖2所示，耦合體系的計算結(jié)果如圖2所示，塑性區(qū)主要集中在填方體內(nèi)，滑面位置與現(xiàn)狀滑動面位置基本吻合。

表1 參數(shù)指標(biāo)

圖1 老滑坡與高填方耦合模型

圖2 耦合體系塑性區(qū)云圖(Fs=1.02)

圖3 老滑坡斷面圖

實際勘察滑坡主滑動位置斷面如圖3所示，從圖1、圖2、圖3可以看出，有限元結(jié)果與現(xiàn)場勘察結(jié)果對比分析可以看出，耦合體系的計算結(jié)果與實際主滑面的位置、形態(tài)還有剪出口位置和趨勢基本吻合，圖1所示，塑性區(qū)主要集中在填方體內(nèi)，鉆探的主滑面位置與模擬結(jié)果最大高差為1.5m，主滑面位置與現(xiàn)狀滑動面位置基本吻合，填方體坡腳存在兩個剪出口，第一個剪出口與現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)剪出口位移一致，表明老滑坡存在沿老滑動面滑動趨勢，與現(xiàn)場實際情況吻合度良好，如圖2所示；第二剪出口位于填方體最后一級坡腳處，二者空間高差位置差50cm，表明模擬結(jié)果與實際吻合良好，新填筑的填土存在沿著老地面滑動的潛在可能，坡腳需要采取支護措施。

三、加固措施及效果分析

利用數(shù)值模型分析結(jié)果，新填筑邊坡存在二者耦合滑動趨勢，滑動特征表現(xiàn)在：（1）新建施工擾動加速下部老滑坡的蠕動，現(xiàn)已出現(xiàn)剪出口；（2）新填筑的邊坡屬于高填方，存在典型失穩(wěn)的特征。

為了達到治理高填方邊坡失穩(wěn)的問題，抗滑樁作為主要支擋工程，由于填方體高度約48m，抗滑樁布設(shè)于坡腳位置，滑坡抗力抵消一部分滑坡推力，樁長可以做到經(jīng)濟長度同時保證預(yù)期的治理效果，施加抗滑樁模型如圖4所示。

圖4 抗滑樁支護后塑性區(qū)云圖(FS=1.24)

選取填筑高度最高的48m斷面計算現(xiàn)狀條件利用抗滑樁支護后塑性區(qū)云圖；通過對比分析施加抗滑樁前后的新填方與老滑面耦合體系整體的穩(wěn)定性，檢驗工程治理的效果。為了防止其進一步滑動引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害事故，在對老滑體的數(shù)值模擬過程中，老滑面主滑面所在位置平均深度約24m，實際中鉆孔巖芯測量滑面平均深度約23.2m，數(shù)值分析結(jié)果與實際主滑面所在位置和角度基本吻合。

利用有限元軟件計算能夠準(zhǔn)確模擬老滑坡體上高填方二者蠕動耦合效應(yīng)，分析二者協(xié)同變形機理，利用數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)置抗滑樁考慮老滑面和潛在滑面變形影響，考慮兩個剪出口與抗滑段相對位置并計算剩余樁前下滑力的影響，設(shè)置坡腳抗滑樁保證坡體的穩(wěn)定性，設(shè)計支護斷面如圖5所示，實際防護工程位置布設(shè)如圖6所示，在潛在滑動面剪出口位置附近布置一排2.0m×3.0m抗滑樁，樁長為30m，通過對邊坡的地表位移監(jiān)測，結(jié)果表明，抗滑樁的存在明顯限制了邊坡水平位移的發(fā)展。

圖5 錨索-抗滑樁支護體系

圖6 坡腳增設(shè)錨索排抗滑樁

圖2和圖4結(jié)果表明：（1）現(xiàn)狀條件下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.02，坡面產(chǎn)生一條貫通潛在滑動面，老滑面位置及剪出口與實際吻合，新填土存在潛在剪出口；（2）利用抗滑樁在坡腳潛在滑動面處加固后穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.24，樁后土體水平位移明顯減小，抗滑樁的抗力抵消大部分土體的下滑力，說明抗滑樁在一定程度上限制坡體沿潛在滑動面滑動的趨勢，達到治理工程設(shè)計的效果。

四、結(jié)論

為了研究西部機場高填方邊坡的穩(wěn)定性及抗滑樁加固效果，利用Midas GTSNX建立了機場填方體邊坡的數(shù)值模型，分別計算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，通過對比分析，主要結(jié)論如下：

（1）由于山區(qū)機場高填方邊坡內(nèi)部存在產(chǎn)生潛在滑動面而存在失穩(wěn)的可能，新填筑高填方在老滑坡體上并引發(fā)老滑坡蠕動，利用數(shù)值軟件計算二者協(xié)同變形特征和蠕動的趨勢，不僅老滑體在坡腳出現(xiàn)深層剪出口，新填筑坡體存在老滑體上部剪出的可能。

（2）支護前邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.02，利用抗滑樁在坡腳加固后穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.24，加固后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑樁的存在在一定程度限制了邊坡沿潛在滑動面滑動的趨勢。

（3）利用有限元軟件計算能夠準(zhǔn)確模擬老滑坡體上高填方二者蠕動耦合效應(yīng)，分析二者協(xié)同變形機理、潛在滑動面變形趨勢及變形特征，對比支護前后的數(shù)值模型計算結(jié)果，結(jié)合設(shè)計工作，達到安全、經(jīng)濟、適用和美觀的治理效果。