基于FLAC3D 的邊坡穩(wěn)定性及預(yù)應(yīng)力錨索支護優(yōu)化研究

姚一鳴

（昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650000）

從上個世紀 60 年代開始[1]，有人采用數(shù)值方法進行邊坡的應(yīng)力分析。美國 Itasca 公司也推出了FLAC3D被運用于邊坡動力變化分析中，目前廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)和變形特征研究中[2]。

而預(yù)應(yīng)力錨索支護技術(shù)是目前邊坡加固的常見技術(shù)之一，對邊坡有著良好的支護效果[3]。

本文采用FLAC3D 對馬鞍山小學(xué)邊坡進行穩(wěn)定性分析，研究邊坡穩(wěn)定性并提出基于預(yù)應(yīng)力錨索的錨固初步支護設(shè)計方案，并對初步設(shè)計方案進行優(yōu)化，探索不同因素對邊坡支護效果的影響。

1 基本概況

1.1 基本特征及H1-1 滑坡周界特征

馬鞍山小學(xué)滑坡（圖1）總體平面形態(tài)呈不規(guī)則的舌型，H1 滑坡已發(fā)生下滑，總體坡向310°。滑坡體寬約20m，斜長約42m，前后緣地形高差約21m。滑坡后緣為高約2.0-5.0m 的土質(zhì)陡坎，坡度近于直立。在其后緣形成一次級滑坡體H1-1，平均地形坡度約32°，主滑方向310°，主軸長34m，寬約20m，面積約480m2，前后緣地形高差約24m。主要地層有為第四系殘坡積層，石炭系中上統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖。

圖1 工程地質(zhì)平面圖

根據(jù)地形地貌及臺坎、地表開裂的位置來確定滑坡周界，前緣為高陡臨空面，地形地貌可以為滑坡的滑動提供臨空面和剪出口，判定為滑坡前緣。滑坡后緣茶地中出現(xiàn)多條裂縫，判定為滑坡后緣。

1.2 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問，H1 滑坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。而H1 滑坡后緣的陡坎自穩(wěn)能力較差，若不進行工程治理，可能導(dǎo)致其后緣茶地次級滑坡體H1-1 產(chǎn)生牽引式滑動，因此對該邊坡進行加固處置。

2 穩(wěn)定性分析

本次數(shù)值模擬計算采用 FLAC3D。根據(jù)土工試驗結(jié)果確定土體物理力學(xué)參數(shù)見表 1。

表1 邊坡數(shù)值模型參數(shù)

計算選取滑坡中部一典型剖面進行計算。圖2 為該邊坡的現(xiàn)狀模型。1 為粘土1，2 為粘土2，3 為泥質(zhì)粉砂巖。

圖2 邊坡建模圖

經(jīng)過計算，H1-1 穩(wěn)定性系數(shù)為1.028，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合圖3 臨界狀態(tài)其與現(xiàn)場邊坡局部失穩(wěn)狀態(tài)一致。

圖3 邊坡合位移云圖

3 預(yù)應(yīng)力錨索支護及優(yōu)化設(shè)計

3.1 支護設(shè)計方案

采用預(yù)應(yīng)力錨索對邊坡進行支護。錨索自由端長度為6-12m，錨固段長度為4m，垂直間距為2m，錨索傾角為35°。根據(jù)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范,對預(yù)應(yīng)力錨索的材料及構(gòu)造進行設(shè)計。錨索桿體采用無粘結(jié)鋼絞線，AST-MA416-87a 標準270 級鋼絞線，根數(shù)1x7，直徑Φ 為15.24mm。鉆孔孔徑為150mm。水泥漿選用普通硅酸鹽水泥，灰砂比1.2，水灰比0.4。自錨索孔底一次性壓滿水泥漿，自由端采用防護油、塑料管隔離。錨索設(shè)計拉張力為800KN。

圖4 邊坡支護模型

如圖5 所示，計算錨固后的邊坡臨界狀態(tài)，在初步設(shè)計方案錨固下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.33，處于穩(wěn)定狀態(tài)且滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖5 錨固邊坡臨界狀態(tài)

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索垂直間距對邊坡穩(wěn)定性的影響

預(yù)應(yīng)力錨索支護的初步設(shè)計方案，極大地提高了H1-1 邊坡的穩(wěn)定性。但其結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然存在這優(yōu)化的可能性。本次優(yōu)化設(shè)計主要考慮：預(yù)應(yīng)力錨索垂直間距及錨索傾角兩個方面。首先如下圖6、表2，調(diào)整預(yù)應(yīng)力錨索垂直間距，分別為：1m、2m、3m、4m、5m。建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，計算其臨界狀態(tài)，分析邊坡穩(wěn)定性變化情況。

表2 預(yù)應(yīng)力錨索垂直間距優(yōu)化設(shè)計

圖6 垂直間距對邊坡穩(wěn)定性的影響

如圖7 所示，垂直間距對邊坡的穩(wěn)定性影響存在臨界狀態(tài)。當垂直間距為2m 時，安全系數(shù)達到最大。

圖7 錨索垂直間距與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系

3.3 預(yù)應(yīng)力錨索傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

探究預(yù)應(yīng)力錨索傾角的變化對邊坡安全系數(shù)的影響。如圖8 所示，擬采用垂直間距為3m，建立邊坡支護傾角優(yōu)化模型，調(diào)整預(yù)應(yīng)力錨索傾角分別為：15°、20°、25°、30°、35°。分析不同傾角對于邊坡穩(wěn)定性的影響。如下表3 所示。

表3 預(yù)應(yīng)力錨索傾角優(yōu)化設(shè)計

圖8 傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

如圖9 所示，當傾角變化為30°、25°時，邊坡的安全系數(shù)大幅增加。

圖9 錨索傾角與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系

對預(yù)應(yīng)力錨索的初步設(shè)計方案優(yōu)化設(shè)計：垂直間距調(diào)整為3m，傾角調(diào)整為25°。支護后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.49。優(yōu)化后不僅提高了邊坡的穩(wěn)定性，還極大地降低了成本。

4 結(jié)論

（1）在自然工況下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.028，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。且模擬結(jié)果與實際調(diào)查結(jié)果一致。

（2）提出了預(yù)應(yīng)力錨索的初步支護設(shè)計方案。支護后邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)為1.33。

（3）在該邊坡支護中，當錨索垂直間距為2-3m，傾角為20°-30°時，對邊坡最有利。