基于FLAC 3D的邊坡支護方案優化研究

摘要：為研究錨墩式主動防護網在高陡邊坡上的支護效果，文章以某省道路段一側高陡邊坡支擋工程為例，利用FLAC 3D軟件進行數值計算，分析其在地震工況下的穩定性，同時建立有錨墩式主動防護網防護結構和僅有預應力錨索結構的數值模型，評價其邊坡的加固效果。結果表明：在地震作用下，坡表處位移較大，且隨高程增大，坡表位移明顯呈現先增大后減小的趨勢，邊坡的潛在滑動面大致出現在碎石土和基巖的交界位置，從坡腳貫通至坡頂，坡腳位置的土體發生一定的剪切滑移，坡頂位置出現了一定的張拉應力；經過錨墩式主動防護網以及預應力錨索加固之后，邊坡的位移有了明顯減小，其潛在滑動面并未發生貫通；與預應力錨索加固相比，經錨墩式主動防護網加固后，邊坡的位移與剪應變增量值均更小，表明錨墩式主動防護網在提升邊坡的穩定性和安全性上具有更大的優勢。

關鍵詞：高陡邊坡；FLAC 3D；強度折減法；穩定性分析；錨墩式主動防護網

中圖分類號：U416.1+4 A 16 050 4

0 引言

隨著我國交通強國戰略的不斷推進，我國交通工程建設逐漸開始向山區發展，但是相關工程的設計與施工均存在諸多問題，高陡邊坡穩定性的問題就是其中之一［1］。常用的邊坡穩定性計算方法主要包括極限平衡方法［2］和數值分析法［3］。數值分析方法主要包括局部破壞判別法、有限元應力法以及強度折減法，在實際的邊坡穩定性評價中，強度折減法更具有使用價值。但強度折減法也有明顯的缺陷，如邊坡失穩判據不易選擇等。目前也有眾多學者進行改進強度折減法的研究。蔣先平等［5］采用物質點強度折減法對邊坡進行穩定性分析，對比研究了常用的4種邊坡失穩判據在計算邊坡安全系數時的合理性及適用性。王思源等［6］采用動態強度折減法來搜索邊坡滑動面，并提出了可兼顧邊坡張拉破壞與剪切破壞的改進矢量和法。在進行邊坡穩定性分析后，下一步便是確定邊坡的支護結構形式選擇。邊坡支護形式包括起支擋作用的擋土墻、抗滑樁和起錨固作用的系統錨桿、預應力錨桿（索）等。在實際的支護結構設計中，有時也會采用支擋與錨固共同作用的結構類型，如錨拉樁、預應力錨索框格梁等，隨著技術不斷發展，也出現了越來越多的新式支擋結構。

本文以某省道路段一側高陡邊坡支擋工程為例，利用FLAC 3D軟件對其進行數值計算，分析其在地震工況下的穩定性，同時建立有錨墩式主動防護網防護結構和僅有預應力錨索結構的模型，評價其在地震工況下對邊坡的加固效果。

1 數值模型的建立

1.1 工程概況

本文依托某省道路段一側高陡邊坡支擋工程。該工程位置為中高山地貌，地形復雜，該邊坡的實際坡度約為50°，邊坡表面風化嚴重且風化厚度較深，上覆層主要組成巖性為碎石土，下伏基巖的巖性主要為變質砂巖。工點位置的工程地質圖如圖1所示。查閱《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），該邊坡處的地震動加速度幅值為 0.10 g，地震烈度為Ⅶ度。考慮坡體坡度較陡且風化嚴重，穩定性較差，對省道產生直接威脅，故需分別計算自然工況和地震工況下的邊坡穩定性，以確定是否需要進行邊坡支護。

1.2 有限差分強度折減法

有限差分強度折減法是在重力加速度不變的情況下，按照式（1）～（2）的方式對巖土體的強度指標c、φ進行折減與更新，逐步降低巖土體的強度指標，通過多次迭代計算，求得邊坡巖土體臨界破壞狀態下的抗剪強度指標，此時得到的抗剪強度指標與巖土體實際抗剪強度指標之間的比值，即為邊坡的安全系數Fs［7-8］。

ci=1Fsc（1）

φi=arctan1Fstanφ--（2）

本文利用FLAC 3D軟件，基于有限差分強度折減法，通過對邊坡位移及剪應變增量分布情況的分析，確定邊坡的潛在滑動面，求得邊坡的安全系數Fs。

1.3 數值模型的建立

利用FLAC 3D軟件建立計算模型并基于有限差分強度折減法進行計算，如圖2所示。

由圖2可知，X軸方向上的計算長度為 65 m；Y軸方向上的計算長度為 10 m；在Z軸方向上，右側的最大高度為 50 m。邊坡巖土體單元為實體單元，共劃分 74 838個網格單元和 54 330個節點，邊坡巖土體的本構關系選取為理想彈塑性模型，屈服準則選取為摩爾-庫侖屈服準則。

通過對現場取得的巖石試樣進行室內巖石力學試驗，得到該邊坡模型的巖土體力學計算參數如表1所示。

1.4 邊界條件

在進行動力計算時，因地震過程中邊界存在波的反射，會對動力結果產生影響，而FLAC 3D軟件提供兩種邊界條件來降低影響，即粘滯邊界和自由場邊界。粘滯邊界是在模型邊界的法向和剪切方向上設置獨立的阻尼器，當入射角度 ＞30°時，對接近邊界體波的吸收幾乎完全有效。自由場邊界是提供與無限模型中相同的條件，加強自由場運動，使邊界保持其非反射特性，因此向上傳播的平面波在邊界上沒有畸變。在進行動力計算時將兩種邊界模型相結合，在模型底部設置靜置邊界，模型四周設置自由場邊界。

1.5 地震波的輸入

根據已有的研究成果，地震引發邊坡破壞的關鍵在于水平地震力，相較于水平地震力，豎直地震力對邊坡的影響微乎其微［9］，因此本文在進行地震工況的計算時，僅考慮水平地震力的作用，選取的輸入地震波類型為“汶川大地震”地震波。對地震波進行濾波和基線校正，然后進行歸一化處理，設置地震波持續時間為 25 s。地震波加速度時程曲線如圖3所示。

2 地震條件下邊坡的穩定性分析

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），該邊坡處的地震動加速度幅值為 0.10 g，地震烈度為Ⅶ度，故對模型施加 0.10 g的地震荷載，分析邊坡在地震條件下的穩定性。

根據FLAC 3D軟件的計算結果，得到地震作用下邊坡的總位移云圖和邊坡剪應變增量分布如圖4和圖5所示。

由圖4可知，在PGA= 0.1 g的地震作用下，坡表處位移較大，且隨高程增大坡表位移明顯呈現先增大后減小的趨勢，邊坡的最大位移值達到了 9.09 cm，坡表最大值出現在距離坡腳直線距離 40 m處。

邊坡中剪應變增大會加重邊坡的塑性變形，從而增大邊坡失穩的風險。由圖5可知，在PGA= 0.1 g的地震作用下，最大剪應變增量大致出現在碎石土和基巖的交界位置，從坡腳貫通至坡頂。坡腳位置的土體發生一定的剪切滑移，坡頂位置出現了一定的張拉應力，這是因為滑帶下部土體剪切滑移的連帶作用。通過強度折減法求得此時邊坡的安全系數為1.01，根據《公路路基設計規范》（TB10001-2016）［10］的相關要求，該邊坡在自然工況下的安全系數不滿足地震工況下安全系數≥1.2的限值要求，因此，需選取恰當的支護方法對該邊坡進行支護。

3 邊坡支護設計及效果評價

3.1 支護方案設計

通過對原始邊坡的穩定性計算，考慮通過采用錨墩式主動防護網為該邊坡進行治理。錨墩式主動防護網主要由預應力錨索和坡表的襯砌構成。預應力錨索將邊坡的上覆土體與基巖固定在一起，從而限制邊坡上部不穩定巖土體的變形，提高邊坡的穩定性。在FLAC 3D軟件中，一般通過cable單元模擬預應力錨索，通過liner單元模擬襯砌，故此處采用cable單元和liner單元結合的方法對錨墩式主動防護網新型結構進行模擬。為方便評價該結構對邊坡支護的效果，同時設置了一組僅有相同預應力錨索的對照組模型進行計算。建立加固后的邊坡數值模型如圖6所示。

其中，預應力錨索的設計長度為 20 m，預應力錨索相互之間橫向間距和縱向間距均為 4 m。預應力錨索錨固參數以及襯砌單元力學參數分別見表2、表3。

3.2 支護效果評價

根據FLAC 3D軟件的計算結果，得到地震作用下兩種不同加固方式加固后邊坡的位移云圖、坡表水平位移曲線和邊坡剪應變增量分布云圖，分別如圖7～9所示。

如圖7、圖8所示，在PGA=0.1 g的地震作用下，錨墩式主動防護網加固之后，邊坡最大總位移為 1.9 cm，最大水平位移為 1.3 cm，而在預應力錨索加固后邊坡的最大總位移為 3.3 cm，最大水平位移為 2.2 cm。與未做防護的邊坡的最大總位移值 9.09 cm相比，經過錨墩式主動防護網以及預應力錨索加固之后，邊坡的位移有了明顯減小。

由圖9可知，在PGA=0.1 g的地震作用下，經過錨墩式主動防護網加固或預應力錨索加固后邊坡，其最大剪應變增量均僅分布在坡腳附近的碎石土和基巖的交界位置，并未發生貫通，說明在支護結構的作用下，尤其是預應力錨索對上部土體的錨固作用，使得邊坡上部保持穩定，邊坡未遭到破壞。與預應力錨索加固相比，經錨墩式主動防護網加固后，邊坡的剪應變增量更小。綜上所述，錨墩式主動防護網因其添加了高強度的主動防護網，在提升邊坡的穩定性和安全性上具有更大的優勢。

4 結語

本文以某省道路段一側高陡邊坡的實際邊坡支擋工程為例，利用FLAC 3D軟件進行數值計算，分析其在地震工況下的穩定性，同時建立有錨墩式主動防護網防護結構和僅有預應力錨索結構的模型，評價其在地震工況下對邊坡的加固效果。所得結論如下：

（1）在地震作用下，未經防護的邊坡坡表處位移較大，且隨高程增大坡表位移明顯呈現先增大后減小的趨勢，邊坡的最大位移值達到了 9.09 cm，坡表最大值出現在距離坡腳直線距離 40 m處。邊坡的潛在滑動面大致出現在碎石土和基巖的交界位置，從坡腳貫通至坡頂，坡腳位置的土體發生一定的剪切滑移，坡頂位置出現了一定的張拉應力，這是因為滑帶下部土體剪切滑移的連帶作用。

（2）與未做防護的邊坡的最大總位移值相比，經過錨墩式主動防護網以及預應力錨索加固之后，邊坡的位移有了明顯減小。經過加固后的邊坡，其潛在滑動面僅分布在坡腳附近的碎石土和基巖的交界位置，并未發生貫通。與預應力錨索加固相比，經錨墩式主動防護網加固后，邊坡的位移與剪應變增量值均更小，表明錨墩式主動防護網因添加了高強度的主動防護網，在提升邊坡的穩定性和安全性上具有更大的優勢。

參考文獻

［1］鄭穎人，趙尚毅.邊（滑）坡工程設計中安全系數的討論［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（9）： 1 937-1 940.

［2］蔣 鑫，朱奇炯，陳 滔，等.基于極限平衡法的路堤穩定性概率分析方法比較［J］.西南交通大學學報，2015，50（2）：331-335，341.

［3］鄭穎人.巖土數值極限分析方法的發展與應用［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（7）： 1 297-1 316.

［4］李澤洲.四川省道216線某高邊坡穩定性分析和加固措施研究［D］.成都：西南交通大學，2021.

［5］蔣先平，張 鵬，盧藝偉，等.物質點強度折減法邊坡失穩判據選擇方法［J］.地質科技通報，2022，41（2）：113-122.

［6］王思源，童小東.基于動態強度折減-改進矢量和法的邊坡穩定性分析［J/OL］.巖土工程學報，2022-09-02.

［7］鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用［J］． 巖石力學與工程學報，2004，23（19）： 3 381-3 388.

［8］鄭穎人，趙尚毅.邊（滑）坡工程設計中安全系數的討論［J］． 巖石力學與工程學報，2006（9）： 1 937-1 940.

［9］宋丹青，黃 進，劉曉麗.地震作用下層狀巖質邊坡動力響應［J］.湖南大學學報（自然科學版），2021，48（5）：113-120.

［10］JTGD30-2015，公路路基設計規范［S］.

收稿日期：2022-10-20