高陡邊坡抗滑樁-土相互作用離散元模擬及加固分析

梁 策，鄧祥明

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 河池 547200)

0 引言

山區高速公路路塹高陡邊坡易受到外部各種不穩定因素如雨水、地震或者人工等的影響，而發生滑坡、崩塌等沿著軟弱面或軟弱帶整體或局部向下滑動的地質災害[1-2]。針對這一情況，現有的規范、手冊等給出了重要的參考性方法及措施，但是在實際工程中，如何通過采用合理的工程手段使得工程在滿足安全的前提下實現經濟性、養護便捷和合理性，仍需多方面的研究與探討。目前在邊坡工程中普遍采用的支護方案主要有：抗滑樁、復合土釘墻、錨桿(索)、混凝土(鋼)內支撐等或多種組合支護形式。其中抗滑樁以其設計簡單、結構組合多樣、成本低、與其他支護手段兼容性強等優點，廣泛應用于各類基坑與邊坡工程當中。其中抗滑樁的設計優化主要以極限平衡法、塑性理論[3]等理論計算手段的改進、室內相似模型試驗[4]、原位樁身變形和內力的監測測試試驗[5]等方法達到抗滑樁的設計優化。

而對于發生下滑的邊坡，其產生滑動的過程中存在大變形、大位移的特點，有限元方法難以應用。而離散元方法因其顆粒間能夠在運動中相互分離、重新接觸鏈接，對于這種大變形問題擁有較好的適用性[6]。國內外學者對采用離散元法模擬滑坡已開展了廣泛的研究。

本文以某山區高速公路樁號為K40+440段高陡邊坡為具體研究對象，利用PFC顆粒流軟件對邊坡穩定性及抗滑樁加固效果開展離散元模擬分析，為相關工程實踐提供參考。

1 工程地質概況

該高速公路邊坡為高陡型邊坡，地形陡峭。其中，上覆土層為粉質黏土，厚2～4 m。下伏基巖為三疊系中統(T2)泥巖。該邊坡巖層產狀較為多變，取最不利的巖層產狀：40°∠230，為順向邊坡。強風化層厚約15 m，邊坡最大高度為60.4 m。強風化巖體較為破碎，碎塊間結合很差，物理力學參數較低，邊坡開挖后穩定性差，易發生崩塌、弧形滑動。根據工程地質勘察現場試驗和室內試驗，邊坡的巖土體力學參數如表1所示。

表1 巖土體的物理力學參數表

2 PFC離散元模型的建立

2.1 細觀參數標定與驗證

PFC顆粒流離散元是模擬離散巖土體的一種有效方法，其中離散元模擬中所需參數是一系列細觀參數，包括顆粒接觸模量、粘結強度、摩擦系數與顆粒重度等關鍵變量及相應微觀倍率。這些參數與實際的材料物理力學參數尚沒有直接可以準確應用的對應關系，因此不能將實驗得到的參數通過特定轉換公式不加矯正地直接應用于PFC顆粒流離散元模擬。細觀參數標定通常是通過數值模擬試驗(如單軸壓縮試驗、雙軸壓縮試驗或巴西劈裂試驗等)來建立彼此之間的聯系，從而達到參數標定的作用，其本質上是一種等效代換標定。該邊坡的巖土體材料細觀參數標定結果見下頁表2。

因本邊坡高為60.4 m，長約80 m，根據材料性質的不同，可分為上下兩個區域。為了更加準確地確定最危險滑面，對邊坡表面根據其屬性不同進行分區與建立模型。

表2 離散元材料細觀參數表

2.2 離散元模型的建立

通過采用PFC 2D軟件，利用上述所得細觀參數，建立了標準的2D邊坡模型。其簡要建模過程如下：CAD建立模型→PFC軟件導入單層dxf文件→每單層通過顆粒半徑、孔隙比控制填充→循環完成全部層面建立→膠結固定→定義材料及屬性→模型應力平衡→控制約束邊界→計算邊坡穩定性→進行數據后處理與分析。

在CAD中繪制滑坡各層邊界與邊坡最外層輪廓邊界，按照重力堆積順序分別生成dxf文件。通過各dxf文件形成“wall”單元生成各層面坡面地形與組合成分界面。考慮到因離散元中的尺寸效應與顆粒數量會對計算精度與計算速度產生不利影響，根據相關研究成果[7]采用“ball”命令生成顆粒，并使顆粒直徑小于最短模型邊界1/30時，即可取得較好的計算精度與速度的平衡。通過模擬重力作用，使邊坡范圍內的顆粒在重力作用下平衡后，刪除堆積體外的顆粒，并根據所對應的巖土體微觀參數屬性對由dxf文件所確定顆粒集合進行分組，分別賦予其屬性數值。最終生成的模型如圖1所示。

本研究通過分別建立原始邊坡模型、多級邊坡模型與多級邊坡組合抗滑樁加固模型等不同模型，對高陡邊坡抗滑樁-土相互作用及加固效果進行研究對比。為實時獲得邊坡在計算滑動過程中巖土體所處的應力狀態及孔隙率等關鍵參數的變化情況，在潛在滑動面、樁身周圍以及樁端范圍內布設了一系列測量圓(見圖2)。

圖1 原始邊坡離散元模型圖

圖2 樁周測量圓布設位置示意圖

3 荷載傳遞規律及滑坡穩定性分析

3.1 滑坡穩定性分析

待顆粒平衡到位后，通過刪除每個層面之間的分界墻，并對滑坡模型施加重力作用，讓完成平衡過程的顆粒速度以及位移清零，并使其在重力作用下發生自然下滑過程。

(1)對于路基邊坡在未采取防護措施的工況下，邊坡坡體出現了與預測相一致的貫通連續滑動面(如圖3所示)，即該邊坡存在著坡體沿軟弱結構面向下滑移的可能性。在該工況下滑坡中顆粒的最大水平滑動距離約為21 m。

圖3 原始邊坡位移云圖

(2)由于原始邊坡穩定性不滿足相關安全要求，故通過對原始邊坡采用多級邊坡的防護方法進行加固防護。通過同樣的步驟與穩定時間后的位移情況如圖4所示。對比圖3可以看出，該邊坡未能出現完全貫通面，但是受到上覆物整體重量較大的影響，在最下一級邊坡特別是坡腳處出現了較大的水平向位移，這對邊坡的整體安全存在一定的不利影響，其最大水平位移為3～4 m。相較于原始邊坡的21 m雖有所減小，但是仍不滿足邊坡足夠的安全需求，需要針對這一問題進一步增強支護效果。

(3)針對如圖4所示上面層部分區域位移較大這一不利情況，通過在最低一級邊坡坡頂采用抗滑樁進行加固的方法，解決了最低一級邊坡穩定性不足的問題，其采用的抗滑樁長度為20 m、直徑為220 cm。在該工況下穩定后，本邊坡最大水平位移出現在樁外側未進行加固的土體顆粒中，其水平位移可達2.6～3 m，未能實現完全的穩定；而經過抗滑樁加固的上部巖土體位移顯著減小(如圖5所示)，平均最大位移約為0.8 m左右。而本模型中顆粒直徑同樣在0.8 m左右水平，可以認為其移動程度很低，邊坡整體穩定性較好，滿足邊坡安全所需。

圖4 采用多級邊坡處理的位移云圖

但是，在這一工況下應注意到存在著第一級邊坡出現部分顆粒發生較大位移以及樁上部多級邊坡仍存在一定程度變形等問題。對此需要對坡面進行加固處理。

圖5 多級邊坡結合抗滑樁加固后位移云圖

3.2 荷載傳遞規律

在抗滑樁加固這一方法中抗滑樁樁側的水平向阻力的傳遞規律也是影響邊坡穩定與整體安全的重要因素。通過前面布置的測量圓獲得水平向的力學表現。由圖6可知，水平向側阻力隨著深度的增加逐步提高，在巖土交界面由于性質變化出現了下降，交界面兩側的力增長速度也存在明顯不同。深度在80 m附近，作為原潛在滑動面，顆粒間孔隙度出現了顯著減小，水平向力出現了明顯的變化，這一力學變化規律對于樁的結構設計具有重要的指導價值。

樁與巖土體力鏈關系如圖7所示。根據該圖可以看出，邊坡的力鏈分布服從上小向下大逐漸發展的過程規律。在樁抗滑側的力鏈顯著大于背滑側且廣泛地與樁相結合，從樁側延伸至邊坡內部較深位置，證明樁起到了很好的止滑作用。在樁的另一側，力鏈分布稀疏且長度較短，該側總體受力明顯較弱。

圖6 水平向側阻力與深度關系曲線圖

圖7 樁與巖土體力鏈云圖

4 結語

本文以某高速公路的高陡邊坡為例，采用PFC 2D軟件建立了邊坡二維模型并對其各工況下的穩定性進行了分析；在考慮樁-土相互作用的基礎上，研究抗滑樁支護的原邊坡變形破壞特點，并以此為基礎對變形破壞的邊坡進行支護設計研究。研究結果表明：

(1)離散元法可以通過定期對顆粒的觀測實現對滑坡破壞的全過程分析，并能夠直觀地展現出滑坡破壞的過程，可以很好地揭示滑坡的形成過程與破壞機理，為整體支護設計提供參考。

(2)通過采用多級邊坡對邊坡進行支護處理，基本可以實現邊坡主體穩定。在多級邊坡這一基礎上配合采用抗滑樁進行支護，效果顯著提高，達到了安全防護的目的。

(3)抗滑樁的側阻力隨著深度的增加而增大。在潛在滑動面由于顆粒孔隙度的下降，顆粒間作用力有所下降，致使力出現了波動。這一潛在的剪切作用為抗滑樁設計提供了重要的參考。

(4)結合第一級邊坡出現部分顆粒發生較大位移以及樁上部仍存在一定程度的變形等問題，建議對各級邊坡進行錨索框架支護，而且第一級、第二級邊坡是重點需要關注的對象。