某河堤治理工程擋土墻邊坡的數值模擬研究

沈玉葉

(新疆疆南水利勘測設計研究院有限責任公司，新疆 喀什 844000)

1 概 述

隨著國內基建工程不斷擴大，越來越多的邊坡需要進行治理，擋土墻因為取材方便在工程界應用廣泛，對此學者們也進行了大量的研究。楊鵬程[1]結合高速公路某擋土墻工程，對擋土墻的施工原理和常見類型進行了闡述，并結合經驗提出了防止路基崩解、垮塌和滑移的擋土墻施工方法。藍重桔[2]認為邊坡的坡率和形式對擋土墻的設計有重要的影響，提出了結合邊坡類型的擋土墻設計方案，并對擋土墻方案進行了研究，研究結果表明結合邊坡類型設計的擋土墻方案滿足工程穩定性要求的同時，還能夠節約工程造價。唐浩[3]提出了擋土墻+錨索的方案，并結合錨固點和錨固角度對邊坡的穩定性進行了研究，研究結果表明擋土墻的設置對于錨索的設置有影響。苗祥達等[4]對高寒地區的擋土墻組合結構進行了受力分析，分析結果表明在高寒地區擋土墻能夠有效減小邊坡的水平位移和豎向位移。趙甜等[5]對擋土墻和抗滑樁的聯合加固措施進行了研究，研究結果表明擋土墻+抗滑樁的聯合加固方式能夠更好地起到支護邊坡的目的。謝凌凌[6]結合邊坡類型，選擇了合適的擋土墻進行加固，經計算擋土墻的施加提高了坡體的穩定性。范衛琴等[7]利用數值模擬對擋土墻組合結構的加固形式進行了研究，研究結果表明擋土墻的位置設置對于邊坡的穩定性、巖土體的位移均有較大的影響。李志謀[8]認為擋土墻的設計須結合滑坡的類型，才可進行位置的選取，并通過位移監測對擋土墻的設計效果進行了評估。王磊等[9]利用數值模擬技術，對不同坡率條件下的擋土墻方案進行了研究，研究結果表明放坡越大，邊坡的穩定性越差，從安全性角度出發，單一支護不及組合結構支護形式。田應[10]對樁錨組合結構進行了研究，認為樁錨結構的設計應當以邊坡情況為基礎，才能保證樁錨設計的安全性。李登峰等提出了考慮土拱效應的樁錨組合結構支護形式[11-14]。

以上研究多關注樁錨組合結構的設計方案，沒有單獨對擋土墻的支護效果進行研究。為此，本文采用單一的擋土墻結構，利用數值模擬對擋土墻的支護效果進行研究。

2 工程概況

某河道位于我國新疆地區，河堤因年久失修，影響河道沿岸居民安全，需對河堤進行治理；同時采用擋土墻進行邊坡治理加固。經計算，邊坡穩定性較好，暫不會發生滑移破壞。因此，設計人員采取就地取材建立擋土墻，對邊坡進行再加固。見圖1。

圖1 邊坡加固示意圖

經地質勘察，巖土體主要由基巖和素填土組成。巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

數值模擬軟件MIDAS SOILWORKS能夠較好地模擬邊坡類型，因此選擇該軟件進行數值模擬分析。擋土墻選擇彈性模型，彈性模量為1.2×105，泊松比為0.2，容重為26.4 kN/m3；碎石土選擇莫爾庫侖模型，彈性模量為3.5×104，泊松比為0.3，容重為24.5 kN/m3，黏聚力為18 kPa，內摩擦角為30°。

選擇自動網格對邊坡進行劃分，同時保證網格之間的耦合，見圖2。

圖2 邊坡模型的網格劃分

3.2 模擬的結果

3.2.1 位移分析

加固邊坡后的水平位移和總體位移見圖3和圖4。

圖4 加固邊坡后的總體位移(單位：m)

由水平位移(圖3)可知，邊坡的水平位移主要集中于擋土墻區域，最大的位移約為8 mm，占整個巖土體比例為11%，方向水平向右，因位移不超過20 mm，在工程允許的范圍內，所以可認為加固后邊坡的水平位移控制在合理范圍內；另一方面，約有60%以上的巖土體位移不超過3 mm，基本上處于基巖區域。由此可知，基巖因為巖體性質較好，穩定性也較強，不會對邊坡的失穩造成威脅。

圖3 加固邊坡后的水平位移(單位：m)

由總體位移(圖4)可知，邊坡的總體位移主要集中于擋土墻區域，最大的位移約為11 mm，占整個巖土體比例為12%，因位移不超過20 mm，在工程允許的范圍內，所以可認為加固后邊坡的總體位移控制在合理范圍內；另一方面，約有62%以上的巖土體總體位移不超過4 mm，基本上處于基巖區域。由此可知，基巖因為巖體性質較好，穩定性也較強。

3.2.2 穩定性分析

加固邊坡后的剪切應力和塑性變化區分別見圖5和圖6。

圖5 加固邊坡后的剪應力云圖

圖6 加固邊坡后的塑性區

由圖5可知，加固后邊坡的剪應力區域主要集中于擋土墻下部，原因是擋土墻重度較大，在施工過程中會對下部巖土體造成一定程度的破壞。剪切應力區域并沒有貫通，說明施加擋土墻以后，邊坡的滑動面不會貫通，邊坡不會滑動，說明擋土墻起到了阻滑的作用。

由圖6可知，加固邊坡后巖土體塑性區主要集中于坡腳和擋土墻下部區域，素填土區域約有20%巖土體發生塑性變形，同時整個巖土體塑性區域并沒有貫通，說明邊坡不會進一步滑動。

加固后邊坡的安全系數為1.62，安全系數超過1.4，從工程穩定性的角度上分析，此安全系數是滿足工程要求的，說明擋土墻的施加能夠保證邊坡的穩定，達到了工程的要求。

3.2.3 數值模擬總結

邊坡的水平位移和總體位移最大值均不超過20 mm，說明邊坡的水平位移和總體位移均控制在合理范圍內；另一方面，邊坡的水平位移和總體位移主要集中于素填土區域，基巖區域幾乎不發生任何位移，說明邊坡的防治重點位于素填土區域。

邊坡的剪應力主要集中于擋土墻下方，塑性區域主要集中于坡腳處和擋土墻下方，以上區域發生應力或塑性區變化的主要原因為施加擋土墻后，導致其下部土體發生擾動。但是剪應力區域和塑性區域并沒有貫通，說明邊坡不會發生滑動，一定程度上說明擋土墻起到了阻滑的作用。

邊坡的安全系數滿足工程要求，說明施加擋土墻達到了工程阻滑的目的。

4 結 論

本文結合某河堤治理中實際邊坡工程，就地取材利用擋土墻進行邊坡加固，通過數值模擬軟件MIDAS SOILWORKS對加固后的邊坡進行數值模擬研究，結論如下：

1) 水平位移和豎向位移主要發生于素填土區域，但數值均控制在合理范圍內，說明加固后的邊坡水平位移和豎向位移是滿足要求的，如果需要做進一步的防治工作，素填土區域是加固的重點。

2) 加固后的邊坡剪應力主要發生于擋土墻下方，但是剪應力區域并沒有貫通，說明滑動面不會生成，邊坡不會發生進一步的滑動。

3) 邊坡的塑性區域主要集中于坡腳和擋土墻下方，原因是施加擋土墻后會對以上區域造成擾動，導致塑性區域的產生，塑性區域并沒有貫通，說明邊坡沒有發生進一步滑動的隱患。

4) 邊坡的安全系數為1.62，結合數值模擬水平位移、總體位移、剪應力云圖和塑性區域云圖可認為，邊坡的穩定性可以保證，擋土墻起到了阻止邊坡發生進一步滑動的目的。