擋土墻加固邊坡的位移及應力變化特性研究

肖 濤

（梅州市梅縣區水利水電工程質量安全技術中心,廣東 梅州 514700）

1 前言

土質邊坡相較于巖質邊坡,由于土體材料的強度低,在邊坡開挖完成后,如不及時采取其他增強土體力學特性的加固方式,易發生失穩破壞。大量學者對擋土墻加固的土質邊坡的應力及位移變化特征開展了研究。溫樹杰等[1]采用最小勢能原理的方法對擋土墻加固條件下邊坡安全系數的計算方法進行了研究。研究結果表明：新開發的計算方法與傳統Bishop 計算方法所得邊坡的安全系數極為接近,可用于擋土前加固邊坡時的安全系數計算。陳立偉等[2,3]對用于核能設施和工程的擋土墻加固進行了研究。研究結果表明：在擋土墻加固方法應用于核工程中的邊坡加固時,其抗震計算的設計安全系數必須顯著高于普通邊坡。李思豐等[4]對基覆型邊坡在地震條件下采用擋土墻加固后的穩定性進行了試驗研究。研究結果表明：軟弱夾層可導致地震波在上覆堆積體中的傳播形式出現顯著差異。介玉新等[5]采用最大位移加速度分析了邊坡的穩定性。分析結果表明：基于最大位移加速度方法對邊坡進行的安全系數計算,與傳統條分法計算結果相同。楊和平等[6,7]對極限平衡法計算邊坡安全穩定性與有限元強度折減法分析邊坡穩定的特點進行了研究。研究結果表明：處于邊坡體中的應力-應變特征,需要采用有限元強度折減法進行計算。

通過對擋土墻加固邊坡相關文獻的分析可知,大量學者對擋土墻加固形式下的邊坡工程的穩定性進行了研究,內容涵蓋擋土墻的設計形式、選擇類型、加固時采用的組合加固方式等多個方面。本文以某供水工程邊坡治理為例,對采用擋土墻對邊坡進行加固的效果進行了研究。主要運用FLAC3D 軟件進行計算,對邊坡加固前后的變形和應力進行分析。

2 工程概況

梅南鎮自來水村村通工程重點解決梅南鎮的飲水問題,設計水平年供水區人口30574 人。新建自來水廠1 座,新建小型供水處理站16 座。其中,居委平原片區自來水廠工程供水規模2073.29 m3/d,工程類型為Ⅲ型,主要建（構）筑物級別為3 級。梅南鎮供水工程供水管網大部分施工地點都在山坡上,取水口和主引水管為沿山鋪設,水廠建在山體上,場地整平形成高邊坡。工程邊坡的橫斷面圖見圖1,最上層為沉積土層,力學性質較差,中間層為強風化層,主要受物理風化和化學風化的共同作用；由于上述兩層的力學強度弱,因此邊坡形式采用階梯式的邊坡斷面；最下層為弱風化層,各層材料的相關物理力學參數見表1。

表1 三層土體邊坡的材料參數

圖1 開挖邊坡剖面圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

模型的建立采用Rhino 軟件結合Griddle 插件進行,主要是考慮本文的模型較為復雜,在FLAC3D 軟件自帶的模型構建方法中難以實現,這也是FLAC3D 軟件在前處理方面的缺陷,通過導出為‘.f3grid’的文件格式,模型可以在隨后的FLAC3D 軟件中采用命令流驅動的方式進行導入,設置相應的材料特征和邊界條件進行計算,最后模型構建成見圖2。嚴格按照圖1 中的原始模型尺寸和區域劃分方式進行。斜坡高度為34.6 m,斜坡底部長度為130.1 m,擋土墻為重力式擋墻,布置在坡底端部。擋土墻采用C30 混凝土材料,擋土墻假定為彈性材料,材料重度為32.6 kN·m-3,體積模量和剪切模量分別為3.14×106kN·m-3和2.64×106kN·m-3,粘聚力32.5 kPa,內摩擦角為35°。

圖2 構建的邊坡及擋土墻加固模型

3.2 未加固時的變形及應力特點

為了顯示擋土墻的加固效果,首先進行無支護加固條件下的邊坡位移及應力特征計算,獲得了計算穩定條件下的邊坡內位移云圖見圖3；同時為了研究邊坡內在平衡狀態時的邊坡內的應力特征,繪制相應的最大有效應力云圖,見圖4。

圖3 未加固時邊坡位移云圖（單位：m）

圖4 未加固時邊坡最大有效應力云圖（單位：Pa）

圖3 所示為不進行其他加固措施時的邊坡位移云圖,由圖可知,當不進行其他加固措施時,邊坡內土體的最大位移為4.87×10-2m,最大位移的區域極小,只有中部區域的上表面土體表現出最大的位移變形趨勢,向下以極快的速度減小為4.75×10-2m,在靠近最大位移區域的變化速率較大,約為2.5×10-3（無量綱）,越向下方,減小趨勢的變化速率越小；其中位移大小為2.5×10-2m 的區域在邊坡中所占比例最大,而位于2.5×10-3m～2.5×10-2m 的位移區域主要位于邊坡滑體下部。

根據圖4 所示的未加固時邊坡內土體的最大有效應力云圖,由圖可知,當不進行其他加固措施時,邊坡內的最大有效應力為3.28×105Pa,應力值為負值,根據FLAC3D 軟件中的規定,應力拉為正,壓為負,因此該最大應力為壓應力,最大有效應力的區域主要位于邊坡模型的左下端部分,向上以極快的速度減小為2.5×105Pa,在靠近2.5×105Pa 大小的有效應力區域的變化速率較大,約為2.25×104Pa/m,越向下方,增大趨勢的變化速率越小；同時越向上方,減小趨勢的變化速率也越小；2.5×105Pa 大小的有效應力區域在邊坡中所占比例最大。

3.3 加固時的變形及應力特點

經過擋土墻加固后,邊坡位移及有效應力的變化特征如圖5 和圖6 所示,其中,圖5 為經過計算處于穩定條件下的邊坡內位移云圖,圖6 為經過計算處于穩定條件下的邊坡內的有效應力云圖。

圖5 擋土墻加固時邊坡位移云圖（單位：m）

圖6 擋土墻加固時邊坡有效應力云圖（單位：Pa）

圖5 所示為采用擋土墻加固措施時的邊坡位移云圖,由圖可知,當進行擋土墻加固措施時,邊坡內土體的最大位移為3.24×10-2m,最大位移的區域相較于未加固時向上部偏移,而越靠近擋土墻部位的土體的位移值越小,位移呈現出圓弧型向下不斷減小的變化特征,同時,最大位移值所占區域較小,只有上部區域的上表面土體表現出最大的位移變形趨勢,向下以極快的速度減小為2.25×10-2m,在靠近最大位移區域的變化速率較大,約為2.75×10-3（無量綱）,越向下方,減小趨勢的變化速率越小；其中位移大小為1.0×10-2m～1.75×10-2m的區域在邊坡中所占比例最大,而位于2.5×10-3m～1.0×10-2m的位移區域主要位于邊坡滑體下部。

根據圖6 所示的擋土墻加固時邊坡內土體的最大有效應力云圖,由圖可知,當進行擋土墻加固措施時,邊坡內的最大有效應力為2.83×105Pa,小于未加固時的最大有效應力3.28×105Pa,應力值為負值,根據FLAC3D 軟件中的規定,應力拉為正,壓為負,因此該最大應力同樣為壓應力,最大有效應力的區域主要位于邊坡模型的左下端部分,向上以極快的速度減小為2.0×105Pa,在靠近2.0×105Pa 大小的有效應力區域的變化速率較大,約為2.5×104Pa/m,越向下方,增大趨勢的變化速率越小；同時越向上方,減小趨勢的變化速率也越小；2.0×105Pa 大小的有效應力區域在邊坡中所占比例最大。

4 結論

（1）不進行加固時邊坡最大位移為4.87×10-2m,擋土墻加固后的邊坡最大位移為3.24×10-2m,擋土墻的存在有效減小了邊坡的最大位移。

（2）不進行加固時邊坡最大有效應力為3.28×105Pa,擋土墻加固后的邊坡最大有效應力為2.83×105Pa,擋土墻的存在有效減小了邊坡最大有效應力。

（3）上述對擋土墻加固前后的邊坡內的最大位移和最大有效應力的分析表明,在該三層土質邊坡工程中,采用端部加擋土墻的支護方式能夠有效減小相應的最大位移和最大有效應力,類似工程可參考本文中設計進行加固。