基于ABAQUS的福建某邊坡改建與加固方案研究

劉澄源

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350003)

0 引言

我國(guó)山區(qū)面積廣大，而福建又屬西南山區(qū)，隨著道路建設(shè)的推進(jìn)，邊坡工程十分常見[1- 2]。由于早期資金、技術(shù)、設(shè)備等方面原因，一些邊坡承載力、使用要求等方面可能已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)今需求，需進(jìn)行拓寬、加高、加固等措施[3-6]。

本文以福建某邊坡改建工程為例，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，在原邊坡強(qiáng)度驗(yàn)算基礎(chǔ)上，提出簡(jiǎn)便、有效的改建加固方案，并對(duì)改建方案與加固方案分別進(jìn)行沉降與安全系數(shù)等力學(xué)分析，并基此提出一些工程優(yōu)化建議，以期為相關(guān)工程提供參考。

1 案例邊坡概況

福建某邊坡，始建于2003年，原擬在坡頂修建廠房，用以堆放重型設(shè)備及原材料，故在修建此邊坡時(shí)，采用了體量較大的仰斜式擋土墻及較低坡率的放坡，但因某些原因?qū)е略谛藿ㄍ赀吰潞蟛⑽蠢^續(xù)建造廠房。現(xiàn)受業(yè)主委托重新規(guī)劃廠房位置，但由于坡頂面積不夠，需對(duì)此邊坡進(jìn)行改建處理。然而，本次對(duì)原邊坡改建的范圍很大，且原邊坡將由緩坡變陡坡，勢(shì)將涉及原邊坡承載力、新填陡坡變形及安全性等問題。

該邊坡縱向長(zhǎng)約83m，采用開挖的方式對(duì)一多土層山體進(jìn)行平整加固處理而成。邊坡土層豐富，土質(zhì)較好，自上而下分別為：①殘積土，表層植被茂盛，根系發(fā)達(dá)，孔隙率大，含水率較大，強(qiáng)度較低，組織結(jié)構(gòu)全部破壞，已風(fēng)化成土狀；②全風(fēng)化凝灰熔巖，散體狀結(jié)構(gòu)，有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，原巖主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英等；③強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖，巖體疏松破碎，構(gòu)造層理不清晰，礦物質(zhì)成分顯著發(fā)生變化；④中等風(fēng)化凝灰熔巖，結(jié)構(gòu)部分破壞，巖體呈碎塊狀，沿節(jié)理面存在次生礦物；⑤微風(fēng)化凝灰熔巖，結(jié)構(gòu)基本未變，僅有少量風(fēng)化痕跡，硬度高，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)。

邊坡總高17.54m，土坡高8m，坡率1∶3.08，擋土墻為長(zhǎng)條石及鋼筋混凝土共同修筑的重力式擋土墻，埋入地面2.86m，墻高9.54m，頂部寬2m，墻面坡度1∶0.33，墻背坡度1∶0.2，底部嵌入中等風(fēng)化凝灰熔巖，墻身設(shè)間距2m、半徑0.1m排水孔，坡面設(shè)鋪砌層，地面設(shè)排水溝，擋土墻與土坡養(yǎng)護(hù)得當(dāng)，無(wú)變形，無(wú)病害，如圖1所示。

2 邊坡分析

邊坡坡率較低，擋土墻體量大，土質(zhì)良好，但考慮到需要填筑大體量填土及坡頂荷載較大，不能直接僅憑經(jīng)驗(yàn)確定改建方案，需對(duì)原邊坡進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，確定其安全儲(chǔ)備。現(xiàn)利用ABAQUS有限元軟件對(duì)原邊坡建立數(shù)值模型，采用強(qiáng)度折減法評(píng)估原邊坡安全性。

2.1 模型建立與分析

(1)建立數(shù)值模型

原邊坡沿縱向地質(zhì)情況與圖1近似，擋土墻情況也基本相同，地貌情況也并未對(duì)邊坡產(chǎn)生明顯三維效應(yīng)，為減少運(yùn)算量，提高效率，可對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。本分析利用ABAQUS導(dǎo)入功能，將原邊坡的CAD圖直接導(dǎo)入生成精確的數(shù)值模型，生成模型如圖2所示。

圖2 原邊坡數(shù)值模型

(2)定義材料參數(shù)

由于邊坡土質(zhì)良好，故殘積土層、全風(fēng)化層及強(qiáng)風(fēng)化層采用Mohr-Coulomb(摩爾庫(kù)侖)本構(gòu)模型，中等風(fēng)化層、微風(fēng)化層及擋土墻采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)地勘報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，最終土體材料參數(shù)與擋土墻材料參數(shù)按表1所示取得[7-9]。

表1 材料參數(shù)

(3)分析步設(shè)置

①Geostatic重力分析步設(shè)置。因該工程為開挖邊坡，且邊坡修筑完成距今已有15年，可認(rèn)為邊坡沉降及變形已基本完成，內(nèi)部應(yīng)力基本穩(wěn)定。參考2007年萬(wàn)智[10]等對(duì)老路基有限元分析的處理方式，對(duì)其整個(gè)邊坡進(jìn)行地應(yīng)力平衡，令邊坡獲得無(wú)初始應(yīng)變而有初始應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)。

②Static靜力分析步設(shè)置。對(duì)整個(gè)邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減，獲取邊坡安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法的基本原理為：將土體材料的c和φ按比例逐漸降低，直到某個(gè)單元所受應(yīng)力超過其強(qiáng)度，形成屈服點(diǎn)。當(dāng)多個(gè)屈服點(diǎn)連成貫通面，形成滑動(dòng)帶之后，土體失穩(wěn)，此時(shí)c和φ縮小的倍數(shù)就是安全系數(shù)[11]。

(4)模型荷載及邊界條件

固定模型底部X方向、Y方向位移，約束模型左右兩側(cè)的水平位移。

(5)網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分與單元類型決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)主要分析的上部前3層土進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，所有部件采用的單元類型均為CPE4。

2.2 結(jié)果分析

圖3為原邊坡的滑動(dòng)面云圖。

圖3 滑動(dòng)面云圖

由圖3可知，滑動(dòng)面存在3處：①一層與二層土交界處；②二層與三層土交界處；③擋土墻墻背。雖覆蓋范圍較廣，但此時(shí)安全系數(shù)已達(dá)到3.0，且擋土墻位移及變形極小，可忽略不計(jì)。故，該邊坡十分穩(wěn)定，安全儲(chǔ)備很大。

3 改建方案

經(jīng)對(duì)原邊坡安全系數(shù)及變形情況的了解，結(jié)合業(yè)主要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定對(duì)擋土墻直接加高1.5m，采用砂土填筑，對(duì)原邊坡拓寬15m，新邊坡坡率改為1∶1.5，其余情況不變。改建方案如圖4所示。

圖4 改建方案剖面圖

3.1 改建邊坡數(shù)值模型建立

圖5為邊坡改建方案的數(shù)值模型。圖中紅色部分為新建擋土墻，綠色部分為新填砂土。

圖5 改建邊坡數(shù)值模型

新建擋土墻材料參數(shù)按原擋土墻取得，新填砂土材料參數(shù)按表2取得。

表2 材料參數(shù)

在原邊坡數(shù)值模型基礎(chǔ)上，為更加準(zhǔn)確新填邊坡的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，利用單元生死功能[12]，模擬分步和分層施工過程，添加新的分析步。

具體模擬過程為：在對(duì)原邊坡進(jìn)行地應(yīng)力平衡后，首先將新建擋土墻加上，然后每隔0.5m填筑一層砂土，共填17層，如圖5所示；再按圖4所示，在填筑完成后對(duì)坡面相應(yīng)位置處施加35kPa的均布荷載；最后，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行強(qiáng)度折減。其中，在填筑過程中，考慮砂土與殘積土拼接及施工方便問題，在填筑每一層填土前，在拼接處對(duì)殘積土開挖0.5m。

3.2 結(jié)果分析

圖6為均布荷載加載完成后的水平位移及豎直位移圖。

(a)水平位移

(b)豎直位移圖6 位移圖(單位：cm)

由圖6可知，水平位移最大約3.8cm，主要集中在坡腳處；豎直位移最大約4.5cm，主要集中在加載處下方的中部，沿新填砂土與殘積土的交界處向下分布。水平位移與豎直位移并不是出現(xiàn)在填土表面，對(duì)于采用分層填筑的新填填土，更為貼合工程實(shí)際情況，ABAQUS的單元生死功能很好地模擬了這一情況。

圖7為總位移的矢量圖。

圖7 總位移的矢量圖(單位:cm)

由圖7可知，位移主要集中在新填砂土與殘積土交界處，總位移最大約5.1cm，擋土墻最大位移在新填部分頂端，約3.4cm，位移總體而言都較小。

圖8為邊坡滑動(dòng)面圖。

圖8 滑動(dòng)面圖

由圖8可知，邊坡土體屈服面主要集中在新填砂土和擋土墻墻背，但導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的是新填砂土中的圓弧形滑動(dòng)面，它的形成使得邊坡迅速垮塌。墻背土體盡管已經(jīng)屈服，但由于擋土墻的持力層非常穩(wěn)固，所以未對(duì)邊坡造成太大影響。邊坡安全系數(shù)為1.17，該邊坡安全儲(chǔ)備較小，在某些情況下(如大降雨、堆載過多等)，極易發(fā)生安全事故，需要對(duì)其進(jìn)一步加固。

4 加固方案

考慮到邊坡與擋土墻的位移較小，符合要求，但安全系數(shù)稍小，且影響安全系數(shù)的主要原因在于新填砂土土坡過于陡峭，因此決定在填筑每一層砂土?xí)r，鋪設(shè)一層土工格柵，共16層，以提高邊坡安全系數(shù)。土工格柵鋪設(shè)位置如圖9紅色部分所示。

圖9 土工格柵鋪設(shè)位置圖

土工格柵采用線彈性本構(gòu)模型，材料參數(shù)按表3取得，并且設(shè)置土工格柵只能承受拉力。

表3 材料參數(shù)

圖10為土工格柵鋪設(shè)后邊坡滑動(dòng)面圖，圖11為土工格柵水平方向應(yīng)力圖。

圖10 鋪設(shè)后滑動(dòng)面圖

圖11 土工格柵水平方向應(yīng)力圖(單位:Pa)

如圖10所示，在新填砂土中鋪設(shè)土工格柵效果明顯，新填砂土在滑動(dòng)面處在殘積土層，安全系數(shù)約1.63，增加63%。圖11表明在加固前滑動(dòng)面的位置處，土工格柵應(yīng)力最大，表明土工格柵能較好地發(fā)揮了應(yīng)力的傳遞作用。第一和第二層土工格柵應(yīng)力非常小，可忽略不計(jì)，表明其并未發(fā)揮作用，為提高經(jīng)濟(jì)效益，可考慮撤去。

加固后邊坡的水平位移較大區(qū)域仍然在新填邊坡最底部，最大水平位移約為2.4cm，減少36.8%，豎直位移較大區(qū)域也未發(fā)生較大變化，最大豎向位移3.2cm，減少40.6%，加固效果較為明顯。總體而言，變形和安全系數(shù)均滿足要求。

5 結(jié)論

綜上，本文主要結(jié)論如下：

(1)由于原邊坡安全儲(chǔ)備良好，使得邊坡變形和安全性問題主要集中在新建邊坡上。而在對(duì)填土鋪設(shè)土工格柵后，水平位移減少36.8%，豎向位移減少40.6%，安全系數(shù)增大63%，效果明顯。

(2)對(duì)新填邊坡進(jìn)行有限元分析時(shí)，在簡(jiǎn)化模型的同時(shí)，模擬了分層施工過程。結(jié)果顯示，水平位移與豎直位移并非出現(xiàn)在填土表面，而是分別位于位移新填邊坡底部和中上部，更為貼近實(shí)際情況。

(3)邊坡改建前需對(duì)原邊坡進(jìn)行全面的評(píng)估監(jiān)測(cè)，觀察原邊坡有無(wú)明顯病害，擋土墻排水情況，并對(duì)原邊坡進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，運(yùn)用有限元等工具，進(jìn)一步判斷原邊坡情況。在原邊坡情況良好時(shí)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，可直接對(duì)原擋土墻進(jìn)行加高后填筑拓寬，并需對(duì)改建后邊坡的變形及應(yīng)力分布特點(diǎn)、安全系數(shù)等情況進(jìn)行細(xì)致分析。