福建某路塹高邊坡加固效果數(shù)值模擬探析

林燕紫

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

滑坡是在工程建設(shè)活動(dòng)中比較常見的災(zāi)害之一，一旦發(fā)生，可能給社會(huì)帶來不可預(yù)計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失甚至危及相關(guān)人員生命安全，妨礙工程的順利進(jìn)行[1]。所以在施工過程中，需要對(duì)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象的邊坡進(jìn)行處治，防止滑坡形成。混凝土框架和預(yù)應(yīng)力錨索可以最大限度減少對(duì)土體的擾動(dòng)，有效阻止邊坡下滑變形，保證邊坡達(dá)到目標(biāo)安全系數(shù)，因此被廣泛用于邊坡的治理[2]。

近年來，眾多專家與學(xué)者采用多種科學(xué)方法對(duì)邊坡加固效果進(jìn)行研究，取得了一系列研究成果。其中，數(shù)值模擬作為一種高效、方便的分析工具，被廣泛應(yīng)用在各種工程領(lǐng)域，可以通過建立與實(shí)際工況較一致的模型來分析抗滑治理措施的效果。趙越躍[3]以邊坡為研究對(duì)象，采用PLAXIS 3D數(shù)值模擬為研究手段，分析植被根系形態(tài)、植物根系密度、植被生長(zhǎng)位置三大因素對(duì)自然邊坡穩(wěn)定性的影響；馬寧[4]針對(duì)貴州的高路塹邊坡特點(diǎn)，應(yīng)用有限元數(shù)值模擬計(jì)算在抗滑樁加固下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化處理。胡其志[5]利用MIDAS/GTS 分析了微生物注漿邊坡在不同降雨強(qiáng)度、不同降雨持時(shí)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，微生物注漿對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性具有明顯的促進(jìn)作用。汪洋[6]采用Abaqus 軟件模擬分析分析格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合支護(hù)邊坡的可行性，證明格構(gòu)梁錨桿聯(lián)合支護(hù)能夠有效抑制土坡內(nèi)部的塑性應(yīng)變區(qū)的擴(kuò)大,減小滑坡體位移,顯著提高邊坡安全系數(shù)。為了研究框架+預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)高邊坡的加固效果，依托福建某道路工程沿線存在的大量高邊坡，建立有限元模型對(duì)加固效果進(jìn)行分析，以期對(duì)后續(xù)該地區(qū)路塹高邊坡的治理對(duì)策起一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

福建省某在建道路工程共有5個(gè)標(biāo)段的高邊坡防護(hù)工程分別為①BK0+055～BK0+245段左側(cè)，最大高度約為22.06 m；②BK0+430～BKO+600段左側(cè)，最大高度約為10.50 m；③BK0+916.05段左側(cè)，最大高度約為12.50 m；④BK0+650～BK0+900段右側(cè)，最大高度為32.00 m；⑤BK1+035～BK1+145段右側(cè)，最大高度約為31.33 m。

本文選取BK1+100斷面右側(cè)挖方高邊坡為研究對(duì)象。該邊坡分成三級(jí)，各級(jí)高度分別為10 m，10 m和11.33 m，第一、二級(jí)設(shè)計(jì)邊坡坡率1∶0.6，第三級(jí)設(shè)計(jì)邊坡坡率1∶1.25。邊坡安全等級(jí)為二級(jí)，重要性系數(shù)γ=1.0。該斷面剖面如圖1所示。

圖1 BK1+100斷面右側(cè)挖方高邊坡斷面剖面圖

根據(jù)場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告場(chǎng)地土層自上而下：

素填土，松散狀態(tài)，厚度為0.5 m～3.5 m；

卵石，中密狀態(tài)，厚度為0.8 m～3.6 m；

粉質(zhì)粘土，可塑狀態(tài)，厚度為0.5 m～9.9 m；

粉砂巖殘積粘性土，可塑狀態(tài)，厚度為3.2 m～22.2 m；

砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，偏硬，厚度為4.2 m～18.2 m；

碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，偏硬，厚度為3.9 m～30.81m。

2 設(shè)計(jì)方案

在針對(duì)該路塹高邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)以及具體實(shí)施過程中，必須與實(shí)際情況有效結(jié)合，并采取針對(duì)性措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量的有效控制。該路塹高邊坡采用從上至下分臺(tái)階開挖和支護(hù)施工，施工完成后共分為三級(jí)臺(tái)階。

2.1 一級(jí)、二級(jí)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

第一級(jí)、二級(jí)邊坡高度均為10 m，坡率均為1∶0.6。此兩段邊坡均采用框架+預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)。每個(gè)臺(tái)階以上邊坡開挖后，修坡，施工相應(yīng)臺(tái)階的錨索支護(hù)。錨索支護(hù)邊坡自上而下開挖，分層開挖深度2.5 m，施工第一排錨桿(索)及框架梁。錨固體強(qiáng)度大于20 MPa并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，鎖定第一排預(yù)應(yīng)力錨索。施工第二排錨桿(索)及框架梁，待錨索注漿后再施工仰斜排水管。依次類推，分層開挖分層施工預(yù)應(yīng)力錨索、框架梁和仰斜排水管，然后張拉鎖定。排水溝溝底應(yīng)向排水方向傾斜大于0.3%。

2.2 三級(jí)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

第三級(jí)邊坡高度為11.3 m，設(shè)計(jì)坡率為1∶1.125。該段邊坡采用植草防護(hù)，應(yīng)清除坡面浮石和松土，夯實(shí)坡面，坡面應(yīng)進(jìn)行修整，夯實(shí)，使坡面大致平整。放樣劃線，挖骨架溝槽，用M10砂漿砌筑漿砌片石骨架，完成骨架護(hù)坡施工后，配合景觀設(shè)計(jì)，在骨架內(nèi)鋪草皮。鋪種草皮后應(yīng)經(jīng)常灑水，使坡面經(jīng)常保持濕潤(rùn)，直到草皮成活。草皮護(hù)坡要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)，大雨過后應(yīng)檢查護(hù)坡是否完整，如發(fā)現(xiàn)局部坍塌或裂紋，應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施，以防病害擴(kuò)大。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

應(yīng)用Midas-GTS-NX對(duì)該路塹高邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，整個(gè)模型長(zhǎng)95 m，高60 m；巖土體共分為5層，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1；框架采用梁?jiǎn)卧Ｐ停^索采用線彈性本構(gòu)模型，植草防護(hù)等效為土工格柵；邊坡在自然狀態(tài)下僅受重力。邊界條件:上部是自由邊界,左右兩側(cè)為水平約束,底部固定。圖2為邊坡二維有限元模型。

圖2 邊坡二維有限元模型

表1 材料參數(shù)表

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 邊坡塑性區(qū)結(jié)果分析

邊坡的塑性區(qū)分布是坡體應(yīng)力重分布的結(jié)果，能夠反映邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。圖3～圖4分別為邊坡的初始應(yīng)力狀態(tài)和施加支護(hù)后的塑性區(qū)分布云圖。

如圖3所示，在邊坡進(jìn)行支護(hù)前的初始狀態(tài)，塑性區(qū)分布面積較大，主要集中在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖處，基本貫穿整個(gè)邊坡。其中一級(jí)邊坡坡腳處塑性應(yīng)變最大，為4.46×10-2是邊坡最危險(xiǎn)的滑動(dòng)巖層的等效塑性區(qū)。此外，從圖中可以看出邊坡在初始應(yīng)力狀態(tài)下存在潛在的圓弧滑動(dòng)帶。圖4為完成支護(hù)后的邊坡塑性區(qū)分布云圖，從圖中可以看出，在完成支護(hù)后邊坡塑性區(qū)面積有所減小，且不再呈現(xiàn)出圓弧滑動(dòng)帶。塑性區(qū)分布僅出現(xiàn)在一級(jí)邊坡的坡腳處，且塑性區(qū)最大應(yīng)變?yōu)?.4×10-3，仍處于一級(jí)邊坡坡腳處。但總體來說，在完成支護(hù)后，塑性區(qū)應(yīng)變最大值減少近80%，整體塑性區(qū)分布面積與應(yīng)變大幅減小。說明支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了很好的抗滑要求，坡體發(fā)生滑動(dòng)的概率大大減小了。

圖3 初始應(yīng)力狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布圖

圖4 支護(hù)后邊坡塑性區(qū)分布圖

3.2.2 邊坡水平位移結(jié)果分析

如圖5所示，為模型位移提取點(diǎn)位置。在極限平衡狀態(tài)，邊坡的最大水平位移與最大豎向位移決定著邊坡是否發(fā)生失穩(wěn)破壞。模型水平位移計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。兩種狀態(tài)下的邊坡水平位移均呈現(xiàn)出“U”型槽變化，并且出現(xiàn)在粉砂巖殘積粘性土中。在實(shí)施加固措施后，“U”型槽深度明顯減小，且相應(yīng)的水平位移值也大幅減小。從所有測(cè)點(diǎn)來看，相比于初始狀態(tài)的較大波動(dòng)。邊坡加固后的水平位移值變化不大。

圖5 邊坡位移值提取位置

圖6 無加固邊坡水平位移云圖

圖7 加固后的邊坡水平位移云圖

圖8 兩種狀態(tài)下邊坡水平位移云圖

從圖7中可以看出，測(cè)點(diǎn)1～6之間加固后的邊坡位移，相比于初始狀態(tài)變化較大，且完成支護(hù)結(jié)構(gòu)后邊坡水平位移值基本保持一致，且數(shù)值較小。但對(duì)于測(cè)點(diǎn)7～10，加固后的邊坡水平位移值相對(duì)于初始狀態(tài)變化不大，且相對(duì)于測(cè)點(diǎn)1～6明顯較大且出現(xiàn)波動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工程情況，測(cè)點(diǎn)1～6位于一、二級(jí)邊坡，測(cè)點(diǎn)7～10位于三級(jí)邊坡，說明框架+預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)減小邊坡水平位移效果明顯，而三級(jí)邊坡采用的植草防護(hù)，對(duì)于減小邊坡水平位移效果較差。

初始狀態(tài)下邊坡水平位移值最大為69.16 mm,位于一級(jí)邊坡坡腳位置。施加支護(hù)后的邊坡水平位移最大值為19.26 mm，減小了70%，出現(xiàn)在三級(jí)邊坡的坡面處。說明一二級(jí)邊坡采用的框架+預(yù)應(yīng)力錨索加固效果良好，限制邊坡水平位移效果良好。

3.2.3 邊坡豎向位移結(jié)果分析

模型水平位移計(jì)算結(jié)果如圖9～圖11所示。兩種狀態(tài)下的邊坡豎向位移在測(cè)點(diǎn)6～8均呈現(xiàn)出“U”型槽變化，“槽底”出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)7位置即粉砂巖殘積粘性土的土層中，跟邊坡水平位移變化呈現(xiàn)出相似變化，整體位移值在加固后均有明顯減小。

圖9 無加固邊坡豎向位移云圖

如圖11所示，測(cè)點(diǎn)1～6初始狀態(tài)下的豎向位移值相比水平位移值較小，且在支護(hù)完成后進(jìn)一步減小接近0 mm，符合安全規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。但對(duì)于測(cè)點(diǎn)6～10邊坡豎向位移值出現(xiàn)了反“S”特征；在測(cè)點(diǎn)7、10位移值較大，說明三級(jí)邊坡的植草防護(hù)效果欠佳，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)這一區(qū)域監(jiān)測(cè)防治邊坡失穩(wěn)。

圖10 加固后的邊坡豎向位移云圖

圖11 兩種狀態(tài)下邊坡豎向位移云圖

在施加支護(hù)后，邊坡整體的豎向位移值和位移范圍均發(fā)生明顯減小。初始狀態(tài)下邊坡豎向位移最大值為67 mm，發(fā)生在三級(jí)邊坡坡頂處；在施加支護(hù)后最大值為53.1 mm，也發(fā)生在三級(jí)邊坡坡頂處。在完成支護(hù)后邊坡豎向位移減小了近20%，說明支護(hù)措施對(duì)減小邊坡位移起到了良好的作用。

4 結(jié)論

針對(duì)某路塹高邊坡，基于MIDAS-GTS-NX有限元軟件對(duì)邊坡支護(hù)前后的塑性區(qū)，整體位移進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)初始狀態(tài)下，邊坡塑性區(qū)分布面積較大，最大應(yīng)變值為4.46×10-2，位于一級(jí)邊坡坡腳位置；在完成支護(hù)后，最大值減小了近80%。說明在完成支護(hù)結(jié)構(gòu)后使邊坡發(fā)生剪切破壞的概率大大減小。

(2)在完成支護(hù)結(jié)構(gòu)后，邊坡的水平位移最大值減小了70%，豎向位移值減小了20%，支護(hù)結(jié)構(gòu)有效抑制了邊坡位移，提升了邊坡的穩(wěn)定性，基本滿足20 mm的允許值要求。

(3)邊坡的水平、豎向位移呈現(xiàn)出“U”型槽特征、出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)6～10之間即三級(jí)邊坡處，且位移值在支護(hù)前后均較大，說明植草支護(hù)效果不如框架+預(yù)應(yīng)力錨索。在后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)三級(jí)邊坡的監(jiān)測(cè)，防治邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。