單一擋土墻支護邊坡安全性的數值模擬研究

丁 婧

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110006)

擋土墻因可充分利用當地資源、阻滑效果好，在工程界廣泛運用，對此學者們也進行了大量的研究。黃岳文[1]介紹了擋土墻的功能，并提出了擋土墻抗滑設計方法，通過實際觀測認為：不同形式的擋土墻阻滑效果不同。吳邦碩等[2]結合某邊坡工程，提出了生態擋土墻+清淤技術，此技術滿足邊坡防護的同時，還做到了美化景觀。黎鳳林等[3]提出了在城市設計中，應當注意擋土墻的設計類型、設計形式和構成要求，以達到美化城市的目的。王雪冰等[4]認為巖土體的泊松比對擋土墻的失穩有較大的影響，并提出了考慮泊松比的擋土墻設計方法，此方法認為泊松比越大，設計的擋土墻的穩定性越強。何許靜[5]結合某實際擋土墻工程，分析了擋土墻的開挖、模板安裝、澆筑等過程，并提出了相應的質量控制方案，此方案能夠保證擋土墻的順利施工。王理吉[6]認為錨桿+擋土墻的組合結構形式能夠充分發揮錨桿和擋土墻各自的優點，可進一步提高邊坡的穩定性。李斯楊[7]為尋求最優的擋土墻設計方案，利用數值模擬對擋土墻的厚度進行了研究，結果表明：不同的厚度條件下，擋土墻的安全性不同。李仕林[8]認為擋土墻墻背傾角不同，主動土壓力KA不同，可結合巖土體類型選擇不同的墻背傾角，以達到節約工程造價的目的。楊化慶[9]研究了擋土墻的發展現狀，提出了裝配式擋土墻結構，通過分析可知，裝配式擋土墻能夠大量節約工期，以達到節約工程造價的目的。徐庶德[10]提出了懸臂式擋土墻方案，通過數值模擬對此方案進行了研究，結果表明：懸臂式擋土墻的受力更加合理。

然而以上的研究并沒有從支護后邊坡的位移、受力等進行考慮，基于此本文結合一實際工程，利用擋土墻進行加固，并通過數值模擬對加固后的邊坡進行研究。

1 工程概況

該邊坡位于遼寧省內，坡腳處擬拓寬水路，因此須對邊坡進行加固，結合邊坡類型和設計經驗，選擇重力式擋土墻進行支護，支護如圖1所示，巖土體的物理力學性質見表1。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 重力式擋土墻支護示意

2 數值模擬

2.1 模型的建立

利用MIDAS SOILWORKS對邊坡進行數值模擬研究，統一以每1m進行網格劃分，采用混合四面體網格進行劃分，對邊坡進行左右兩側的水平約束，底面進行位移和速度的剛性約束，數值模擬計算至邊坡穩定時截止。

擋土墻選擇彈性模型，彈性模量、泊松比和容重分別為1.3×105kN·m-3、0.2和27.4kN·m-3，碎石土選擇莫爾庫侖模型，彈性模量、泊松比和容重分別為3.6×104kN·m-3、0.3和23.5kN·m-3，粘聚力和內摩擦角分別為18.7kPa和31°。

2.2 模擬的結果

2.2.1位移分析

加固邊坡后的水平位移和總體位移如圖2—3所示。

如圖2所示，坡腳處出現豎直向下的位移，最大值為6.9mm，此區域占整個巖土體約8%，風化土區域出現豎直向上的位移(隆起)，最大值為1.7mm，此區域占整個巖土體約12%，超過68%區域的巖土體幾乎沒有豎向位移，最大豎向位移數值也不超過15mm，滿足邊坡的位移要求。另一方面可知，邊坡防治的重點在于坡腳處和風化土區域。

圖2 邊坡的豎向位移(單位：m)

如圖3所示，邊坡的整體位移主要集中于坡腳處和風化土區域，最大位移為8.4mm，坡腳處位移區域約占整個邊坡巖土體的11%，風化土區域最大位移約為4.2mm，約占整個邊坡巖土體的14%，基巖區域幾乎不發生位移，總體位移區域較豎向位移約束大。最大豎向位移數值也不超過15mm，滿足邊坡的位移要求。

圖3 邊坡后的總體位移(單位：m)

2.2.2應力應變分析

加固邊坡后的應力云圖和巖土體單元破壞區域分別如圖4—7所示。

如圖4所示，邊坡所受x方向的應力主要集中于風化土與基巖區域界面，與理論相符合，一定程度上說明數值模擬結果的有效性。風化土區域應力較為集中，約占風化土區域的18%，說明若需要對邊坡進一步支護，風化土區域是支護的重點。坡腳處水平應力也較大，但因為分布較為均勻，沒有出現應力集中的現象，因此可認為水平應力不會在坡腳處產生威脅。

圖4 邊坡x方向應力云圖

如圖5所示，邊坡所受z方向的應力主要集中于風化土與基巖區域界面，坡腳區域。風化土區域應力較為集中，約占風化土區域的18%，說明若需要對邊坡進一步支護，風化土區域是支護的重點。坡腳處水平應力也較大，但因為分布較為均勻，沒有出現應力集中的現象，因此可認為水平應力不會在坡腳處產生威脅。

圖5 邊坡z方向應力云圖

如圖6所示，邊坡x、z方向的應力主要集中于坡腳處，最大值為84MPa，應力影響區約占整個巖土體的16%，因為擋土墻的重度明顯高于基巖，施加擋土墻以后必然會導致下方區域巖土體屈服，進而導致巖土體發生破壞。另一方面分析可知，剪應力區域并沒有貫通，說明邊坡并不會發生整體滑移破壞，坡腳處會因為巖土體屈服發生應力集中，但結合圖2—3可知，坡腳處并不會發生位移破壞。基巖區域沒有發生x、z方向的剪力破壞，說明基巖區域的穩定性較好。

圖6 邊坡x、z方向應力云圖

如圖7所示，巖土體單元破壞區域主要集中在擋土墻下部和坡腳處，此破壞區域與巖土體所受應力相對應，基巖依然沒有發生塑性破壞，說明基巖并非是防治的重點，防治的重點在于擋土墻周圍和坡腳處。

圖7 巖土體單元破壞區域

支護后邊坡的穩定性為1.42，此數值在工程要求的范圍內，說明擋土墻起到了防治邊坡失穩的目的，如果需要進一步加強支護，坡腳處是防治加固的重點，其次可對風化土區域進行支護，如施加錨桿、錨索和噴砼等。

2.2.3數值模擬總結

(1)邊坡的豎向位移和總體位移達到工程要求，位移較大區域主要位于風化土和坡腳區域；

(2)受力的角度分析，坡腳處是防治的重點，但是坡腳處應力集中并不嚴重，可認為邊坡的受力在工程允許的范圍內；

(3)巖土體破壞區域主要位于擋土墻下部和坡腳處，進一步說明了坡腳處是防治的重點，另一方面從剪切應力分析可知，若邊坡失穩，坡腳處最易發生剪出破壞；

3 結論

本文研究了擋土墻施加后邊坡的受力、位移和破壞區域等，可得如下結論：

(1)邊坡的豎向位移和總體位移均控制在合理的范圍內，不會對邊坡的穩定性造成不良的影響，位移發生區域主要位于風化土區域和坡腳處，說明邊坡治理的后期重點在于風化土區域和坡腳處。

(2)邊坡x和z方向的應力主要集中于坡腳處，說明坡腳處容易出現應力集中，應當注意坡腳處的受力和位移。

(3)邊坡x、z方向的剪應力主要集中于擋土墻下部和坡腳處，但滑動面并沒有貫通，說明邊坡不會發生整體滑動，如果邊坡會發生小規模滑動，那么坡腳處易形成剪出口。

(4)邊坡的安全系數為1.42，破壞區域主要集中于坡腳處，說明擋土墻確實是起到了支護的目的，若須進一步進行支護，支護的重點在于坡腳處，其實為風化土區域，基巖的穩定性較好，可不必對基巖施加防治措施。