順層巖質邊坡支護加固措施參數優化數值模擬研究

朱 同 鄭 杰

（1.江西省勘察設計研究院，南昌 330095；2.中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300）

1 引言

順層巖質邊坡的天然穩定性較好，若不是受人為開挖因素的影響，很少遇到自然滑塌情況。 由于對該類邊坡的工程性狀、 破壞機理尚缺乏深入的、系統的理論研究，因此發生順層巖質邊坡失穩的重大事故屢見不鮮[1]。 國內外眾多研究人員對此問題進行研究[2-4]，孔憲斌[5]為確定巖體結構面抗剪強度參數，開展了砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖、頁巖在天然狀態及飽和狀態下的原位抗剪試驗， 根據試驗設計參數對全線順層路基邊坡進行了優化設計；何泓江等[6]針對西南地區軟硬互嵌順層巖質邊坡開挖變形及防治問題，通過有限元計算，分析了某典型巖坡開挖后的應力及變形， 并對抗滑樁加固后的巖坡進行了對比分析；卞康[7]基于二維顆粒流軟件PFC2D 的人工合成巖體技術（SRM），研究了巖橋傾角和節理間距不同組合形式的含順層斷續節理巖質邊坡在地震作用下的破壞模式與動力響應規律；王章瓊等[8]以貴州某水電站大壩左岸含陡傾結構面順層邊坡為例，在綜合分析地質條件及開挖擾動的基礎上，結合離散元軟件UDEC，分析了邊坡的變形破壞模式和穩定性。

綜上所述，雖然對于邊坡穩定性分析的研究成果較多，但目前缺乏關于加固措施的合理性選擇及加固措施效果分析的相關研究，因此本文以廣巴高速典型順層邊坡為實際案例進行開挖穩定性模擬，同時對抗滑樁及錨桿框架梁支護方案進行參數優化分析，以期對類似工程提供參考。

2 順層巖質邊坡開挖數值模擬

2.1 有限元模型

本文以廣巴高速樁號K30+865～K31+025 左側邊坡為工程實際案例， 邊坡位于淺丘坡頂部位，為塊狀粉砂巖蓋頂于層狀紫紅色泥巖之上。 粉砂巖分布于上部12～16 m，呈土黃色，粗粒，含長石和巖屑成分較多。巖層層面產狀298°∠120°～16°，層面間距大于1.5 m，面平直稍粗糙、層面結合緊密、無充填。

計算采用邊坡及支護結構物理力學參數如表1所示。 鑒于道路修建途經此處，因此應根據實際開挖情況進行開挖穩定性分析， 確定邊坡開挖后的穩定及需要支護加固與否。 邊坡擬挖深度11～17 m，開挖坡比1∶0.75，采用切層開挖，建立邊坡計算模型，如圖1 所示。其中左右邊界約束水平位移，底部約束兩向位移，頂面自由；計算模型底部長130 m，左側邊界高56 m，右側邊界高32 m；采用6 節點三角形單元進行網格劃分，得到8239 個單元，16698 個節點。

2.2 開挖計算結果分析

根據計算， 將邊坡關鍵云圖匯總進行對比分析。 由圖2 邊坡開挖最大剪應變分布可知，第一級邊坡開挖后穩定性安全系數為1.93， 處于穩定狀態； 第二級邊坡開挖后穩定性安全系數為0.96，處于不穩定狀態，需要采取支護加固治理，方可進行路面修建。 由圖3 邊坡開挖后總位移分布可知，第一級邊坡開挖后最大位移為1.9 cm，同樣在左側邊坡坡頂最高處由于重力作用下存在最大位移，同時右側邊坡最大位移隨著層面發展， 向巖層結構面與底部邊界處匯集； 第二級邊坡開挖后最大位移2.64 cm，此時由于邊坡開挖方量過大，導致左側邊坡沿著結構面出現較大位移，而右側邊坡由于應力釋放位移較小。 由圖4 可以看出，第一級邊坡開挖后，邊坡在自重作用下，在左側邊坡、右側邊坡大部及邊坡中部上緣處發生小部分屈服，較邊坡未開挖天然狀態下范圍更小， 應力得到局部釋放；第二級邊坡開挖后，邊坡在自重作用下，在左側邊坡坡頂處、右側邊坡邊界處及邊坡中部開挖表面處發生小部分屈服，較第一級邊坡開挖范圍更小，應力得到進一步釋放， 同時結合邊坡位移趨勢可知，邊坡開挖后開挖面底部受到擠壓，發生屈服。

表1 邊坡及支護結構物理力學參數

圖1 開挖邊坡計算模型

綜合分析看出，第一級邊坡開挖后邊坡仍處于穩定狀態，但當第二級邊坡開挖后邊坡處于不穩定狀態，需要采取支護加固措施進行穩定，保證高速公路修建與運營的安全性。

圖2 開挖后邊坡最大剪應變分布

圖3 開挖后邊坡總位移分布

圖4 開挖后邊坡塑性區分布云圖

3 抗滑樁加固優化分析

3.1 抗滑樁樁位優化

對抗滑樁布置具體部位進行研究分析， 選擇第一級邊坡坡頂前緣、第一級邊坡坡頂后緣（第二級邊坡坡腳）， 以及第二級邊坡坡頂位置進行布樁分析，經計算分別得到邊坡安全系數為1.25、1.31、1.02。 以安全系數為主要評價指標，可知當抗滑樁布置于第二級邊坡坡腳位置時邊坡穩定性最好。

3.2 抗滑樁與錨桿組合加固

組合支護相對于單一支護方案具有較大優勢，為此聯合錨桿與抗滑樁對邊坡進行支護穩定性驗算，其中第二級邊坡采用三排錨桿進行加固，抗滑樁布置于第一級邊坡坡頂位置，如圖5 所示，得到邊坡安全系數為1.26。 相較于抗滑樁單獨支護（安全系數為1.30）， 在第一級邊坡施加錨桿后邊坡穩定性系數反而減小了，原因可能在于第一級邊坡本屬于穩定巖土體，在施加錨桿支護后反而破壞了巖土體的穩定性，致使破土體些微破碎化，變形過大，安全性能存在部分降低。 因此針對本斷面工程，不適宜采用此抗滑樁與錨桿聯合支護方案。

圖5 抗滑樁與錨桿聯合支護計算模型

3.3 傾斜抗滑樁加固

為驗算抗滑樁傾斜角度對加固效果的影響，對抗滑樁打入角度進行優選，其中分4 個工況，即抗滑樁于水平面各成20°、40°、60°、80°打入邊坡。將計算結果匯總并繪制不同傾斜程度抗滑樁角度與邊坡計算所得安全系數結果于圖6。據圖6 可以看出，隨著抗滑樁傾斜角度的增加，邊坡安全系數呈現出先增大后減小的趨勢， 當抗滑樁與水平面成60°左右打入時邊坡穩定性最好。

圖6 抗滑樁角度與安全系數關系曲線

4 錨桿框架梁優化分析

4.1 錨桿間距及錨桿長度

為分析錨桿間距對支護效果的影響，選擇兩級邊坡錨桿間距為2～5 m，間距增量梯度為1 m，得到錨桿不同間距加固邊坡后安全系數及相應總位移，繪制不同錨桿間距與計算所得關鍵指標的曲線如圖7（a）所示。 由圖7（a）可知，隨著錨桿間距的增大，邊坡安全系數基本保持一致，并未出現較大幅度的變化，而邊坡最大位移值呈現出逐漸增大的趨勢。以安全系數為主要評價指標，可知當間距為5 m時邊坡穩定性最好。

圖7 錨桿間距、長度關系曲線圖

為分析錨桿長度對支護效果的影響，選擇錨桿間距為5 m，錨桿打入角度20°，共5 組工況，得到錨桿長度加固邊坡后的安全系數及相應的總位移，繪制不同錨桿長度與計算所得關鍵指標的曲線如圖7（b）所示。 由圖7（b）可知，隨著錨桿長度的增大，邊坡安全系數呈現出急劇增大后保持平穩的趨勢，當第一級邊坡錨桿長度15 m，第二級邊坡長度10 m 組合時，邊坡安全系數達到最大；與此同時，邊坡最大位移值呈現出逐漸減少的趨勢，當第一級邊坡錨桿長度25 m， 第二級邊坡長度20 m 組合時，位移值達到最小1.34 cm。 以安全系數為主要評價指標，可知當第一級邊坡錨桿長度15 m，第二級邊坡長度10 m 組合時邊坡穩定性最好。

4.2 錨桿打入角度

為分析錨桿角度對支護效果的影響， 選擇錨桿間距為5 m，變化錨桿打入角度10°～90°，角度增量梯度為10°，共9 組工況，得到錨桿不同打入角度加固邊坡后的安全系數及相應的總位移，繪制不同打入角度與計算所得關鍵指標的曲線如圖8 所示。 由圖8 可知，隨著錨桿打入角度的增大，邊坡安全系數呈現出先逐漸增大后急劇減小的趨勢， 當錨桿打入角度在60°時可獲得最大邊坡安全系數1.47， 而邊坡最大位移值呈現出逐漸增大的趨勢。

圖8 錨桿打入角度與邊坡計算所得關鍵指標關系曲線

4.3 錨桿交叉角度

（1）第二級邊坡錨桿角度固定，第一級邊坡錨桿變化角度

為研究兩級邊坡之間錨桿夾角對其支護效果的影響，首先將第二級邊坡錨桿角度固定，第一級邊坡錨桿角度變化0°～60°，共6 個工況，繪制兩級不同錨桿夾角與計算所得關鍵指標的曲線如圖9（a）所示。由圖9（a）可以看出，固定第二級邊坡錨桿角度，變化第一級邊坡錨桿角度，使得兩級邊坡錨桿之間夾角逐漸增大，邊坡安全系數出現逐漸增大，后急劇減小的趨勢，當第一級錨桿打入角度為60°時邊坡取得最大安全系數， 即兩級錨桿夾角為40°時邊坡支護最為穩定。 邊坡位移隨著錨桿夾角的增大，也出現逐漸增大的趨勢，同時在兩級錨桿夾角為40°時邊坡最大位移值較小，符合規范要求。

（2）第一級邊坡錨桿角度固定，第二級邊坡錨桿變化角度

經過第一部分的研究，當第一級邊坡錨桿角度為60°時加固效果最好， 為此固定第一級邊坡錨桿角度，第二級邊坡錨桿角度變化0°～60°，共6 個工況，繪制兩級不同錨桿夾角與計算所得關鍵指標的曲線如圖9（b）所示。 由圖9（b）可以看出，固定第一級邊坡錨桿角度，變化第二級邊坡錨桿角度，使得兩級邊坡錨桿之間夾角逐漸增大，邊坡安全系數及邊坡最大位移值均出現先急劇減小后基本平穩振蕩變化的趨勢， 當第一級錨桿打入角度為60°時邊坡取得最大安全系數，即兩級錨桿夾角平行打入邊坡時邊坡支護最為穩定。

圖9 變化兩級邊坡錨桿角度邊坡關鍵指標曲線

5 結論

本文采用Phase 軟件對實際工程順層巖質邊坡的加固措施優化情況進行了模擬分析， 得到以下結論：

（1）針對抗滑樁優化計算，對比發現抗滑樁布置于第二級邊坡坡腳位置時邊坡穩定性最好；抗滑樁與錨桿組合支護邊坡安全系數為1.26，不選擇此抗滑樁與錨桿聯合支護方案；隨著抗滑樁傾斜角度的增加， 邊坡安全系數呈現出先增大后減小的趨勢， 當抗滑樁與水平面成60°左右打入時邊坡穩定性最好。

（2）針對錨桿框架梁優化分析，對比發現，兩級邊坡錨桿間距選擇為5 m， 選擇第一級邊坡錨桿長度15 m，第二級邊坡長度10 m，兩級錨桿均與水平面成60°平行打入時， 對于邊坡整體的塑性區、位移、應力及屈服區具有較為明顯的改善，可以較好地保證邊坡穩定性及位移要求，同時減少過多的錨桿使用，使得施工和材料成本得以合理控制，保證加固措施的經濟性。