人工開挖高邊坡支護結構加固作用數值模擬分析

李堅 周衛 楊龍偉 江強強 陳濤

摘要：

為提升人工開挖高邊坡的穩定性，以湖北武漢森林大道挖方高邊坡為研究對象，利用強度折減法，通過數值模擬研究了未開挖、開挖未支護、抗滑樁支護和肋柱式預應力錨索+抗滑樁支護等4種工況下的邊坡穩定性、變形特征及支護結構作用機理。結果表明：① 邊坡開挖后穩定系數大幅度下降，抗滑樁能有效阻止坡腳土體的變形，板肋式錨索對抗滑樁以上的土體加固效果較好，各工況的穩定性由大到小依次為未開挖邊坡、肋柱式預應力錨索+抗滑樁支護邊坡、抗滑樁支護邊坡、未支護邊坡；② 抗滑樁主要受剪力作用，懸臂段剪力為負，嵌固段為正，最大值在一級坡坡腳附近，其彎矩基本為正值，最大值處距樁頂約13 m；③ 在肋柱受力方面，錨固點處剪力最大，近似于集中點荷載，彎矩大小接近0，錨固點中間段肋柱剪力由受壓向受拉狀態轉換，在中點附近達到最大拉剪應力，彎矩則先為正值再變為負值。

關鍵詞：

挖方高邊坡； 支護結構； 強度折減法； 穩定性分析； 數值模擬

中圖法分類號：U416.14

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.009

文章編號：1006-0081（2023）03-0051-07

0 引 言

公路邊坡普遍具有坡角大、高差大、坡面土體松散等特征，如果處理不當，在降雨、地震等觸發因素下易失穩垮塌。許多學者通過理論推導和試驗驗證等研究手段，對邊坡的穩定狀態、變形破壞機制、治理效果等進行分析研究；工程建設者通過大量工程實踐積累經驗、總結規律，提出實用有效的邊坡工程治理措施［1］。

針對邊坡穩定性分析，極限平衡法是較為成熟的理論，其中包括條分法、簡單平面滑動法、傳遞系數法、強度折減法等［2-3］。在邊坡治理工程實踐中，需要對邊坡坡面、坡高、坡角以及坡體巖土抗剪強度、地層條件、周邊環境等因素進行詳細勘察，為邊坡穩定性分析和支護方案提供依據。而在巖土分析領域前沿，數值模擬研究方法逐漸以其強大的模擬能力、計算能力、數據分析處理能力等優勢受到關注［4］，常用的有ABAQUS、FLAC3D、MIDAS等數值模擬軟件。

目前，工程上應用較為廣泛的邊坡支護結構有錨桿（錨索）、抗滑樁、格構、擋土墻、防護網等，并配合排水、削坡、綠化等形成綜合治理形式［5］。針對這些支護結構的布置及組合布置，主要結合支護后邊坡穩定系數及支護結構穩定系數來指導設計深度［6］。近年來，隨著有限元計算的普及和優勢，傳統計算理論結合數值模擬手段的邊坡治理設計應用愈發廣泛。針對在工程實踐中尚存在的理論應用、分析手段、支護形式相對滯后等問題，本文以湖北省武漢市森林大道挖方高邊坡為研究對象，結合支護結構和治理的研究與應用現狀，借助數值模擬軟件，通過強度折減法對未開挖、開挖未支護、抗滑樁支護、錨索肋柱+抗滑樁支護等4種工況進行模擬，分析支護結構受力特征及支護效果，并對各工況下的邊坡穩定性做出評價，以期為邊坡防治工程提供借鑒。

1 工程概況

森林大道地處武漢市光谷地區，由于城市道路建設，開挖形成長約1.4 km的挖方高邊坡。道路沿線邊坡地質條件差異較大。本文選取地質條件復雜、治理難度最大的抗滑樁+板肋式錨索擋土墻支護段高邊坡（圖1）作為典型地段進行分析。

依據前期勘察結果（圖2），該處各地層如下：① 黏土夾碎石塊土層，呈褐紅色、硬塑狀態，碎石主要以破碎的石英砂巖為主，粒徑約0.5～2.0 cm；② 泥巖全風化層，灰白色，薄層狀構造，風化至高嶺土狀，手可捏碎；③ 泥巖強風化層，灰白色，隱晶質結構，薄層狀構造，屬于極軟巖；④ 泥巖中風化層，灰白色，薄層狀構造，屬較軟巖。對各地層取樣進行土工試驗分析，其物理力學參數如表1所示。

2 模型理論及模型建立

2.1 強度折減法

強度折減法［7-8］最早由Zienkiewicz等提出，即在邊坡極限荷載條件下，坡內土體的最大抗剪強度與外荷載條件下產生的實際剪應力的比值為強度折減系數Fr，通過改變土體抗剪強度（內摩擦角φ和黏聚力c）得到相應的剪應力和折減系數，如式（1）～（2）所示。

cm=c/Fr（1）

φm=arctan（tanφ/Fr）（2）

式中：cm為折減后黏聚力；φm為折減后內摩擦角。

參照表1與式（1）～（2），可得各折減系數下的土體抗剪強度關系曲線，如圖3所示。

2.2 模型建立及監測布置

2.2.1 模型建立

對開挖前、開挖后、抗滑樁支護和板肋式擋土墻+抗滑樁支護下的邊坡以同尺寸建模，如圖4所示。土體材料參數與土工試驗一致，錨索和抗滑樁參數參照設計混凝土強度確定。

為模擬高邊坡從開挖到整個支護治理過程中的作用機理，共建立4個模型：① 開挖前原始邊坡模型；② 開挖后，邊坡未布設支護結構模型；③ 開挖后，坡腳布設懸臂抗滑樁模型；④ 開挖后，坡腳布設懸臂抗滑樁及坡面布置板肋式錨索擋土墻。邊坡開挖并修坡后，從坡腳至坡肩共三級坡，中間設置馬道，邊坡尺寸參照圖2；抗滑樁為圓形C30混凝土澆筑樁，樁徑1.8 m，中心距2.5 m，全長20 m，懸臂8 m，嵌固12 m；預應力錨索間距3 m×3 m，與水平面夾角15°，豎向布置肋柱，橫向布置底梁和頂梁，強度為C30。

采用摩爾庫倫本構模型，土體、肋柱、噴錨和抗滑樁等材料的單元類型均為8節點線性六面體單元，模型X，Y方向邊界條件為法向約束，底面為X，Y，Z三向約束。錨索單元類型為實體-線單元，單元類型為兩結點線性三維桁架單元，采用降溫法模擬錨索預應力施加狀態：

Δt=σ/Eα（3）

式中：Δt為溫度變化；E為彈性模量；α為錨索截面面積；σ為所施加的設計預應力。

2.2.2 監測布置

監測重點為坡體的位移及變形、抗滑樁的變形及受力、肋柱的變形及受力。

考慮到開挖前后邊坡坡形變化較大，為便于分析，將各工況下的位移監測點控制在同一水平高程，在坡面共選取13個重點位移監測點，如圖2所示。對于抗滑樁，直接以樁身為研究對象進行變形、剪力、彎矩等數據分析，無需單獨布置測點及測線。預應力錨索作用機理為內部錨固段、外部錨固點、坡面肋柱共同作用，肋柱所承受的抗力是錨索支護體系中的關鍵，因此對肋柱進行測線監測分析，具體測線如圖5所示。

3 高邊坡支護結構作用機理分析

3.1 邊坡穩定性

為分析通過強度折減法計算的原始邊坡、未支護邊坡、抗滑樁支護邊坡和預應力錨索+抗滑樁支護邊坡的滑面位置及形狀，提取模擬后的塑性應變等值線云圖如圖6所示。

由圖6（a）～（b）可知：未開挖邊坡滑面呈較規則的圓弧形，滑體剪出口位于邊坡中部坡率較大位置，且塑性變形較小，坡頂塑性變形較大，人工開挖后形成的高陡邊坡滑面位置變化較大，剪出口為一級坡坡腳位置，滑面走向與全風化泥巖層走向基本一致，可見全風化泥巖層因強度較低，形成內部軟弱地層帶，在降雨等誘發因素作用下，主導著邊坡變形破壞，形成滑坡。對比圖6（b）～（c）可知：在抗滑樁作用下，一級坡土體穩定性大幅度提高，坡腳處的全風化泥巖軟弱地層塑性變形得到有效控制，但由于二級坡和三級坡未布置支護結構，滑面位置整體上移，二級坡坡腳作為滑面剪出口，隨著抗剪強度降低，產生較大變形，致使邊坡失穩破壞。對比圖6（c）～（d）可知：肋柱式預應力錨索+抗滑樁支護組合結構作用下，邊坡穩定性大幅度提升，邊坡塑性區主要由預應力錨索受力和抗滑樁擠壓周圍土體產生，塑性范圍及變形量小且不能形成完整的滑動面。

為進一步定量分析4種工況下的邊坡穩定性，繪制各工況下的塑性區水平位移和折減系數關系曲線，如圖7所示

由圖7可知：隨著折減系數增大，初期土體處于彈性變形階段，位移較小；中期土體變形增大，逐漸達到土體破壞極限值；后期土體位移迅速增大，進入塑性變形階段。以各工況下曲線位移拐點作為邊坡的穩定性評價標準，為土體極限受力狀態。原始邊坡Fr≈2.34，開挖未支護邊坡Fr≈1.20，抗滑樁支護邊坡Fr≈1.72，預應力錨索+抗滑樁支護邊坡Fr≈1.98，可知各工況邊坡的穩定性關系為原始邊坡＞預應力錨索+抗滑樁支護邊坡＞抗滑樁支護邊坡＞未支護邊坡。顯然，開挖導致邊坡穩定性大幅度下降，而抗滑樁和預應力錨索有較好的支護效果，能較大幅度提高邊坡穩定性。

3.2 坡體變形特征

邊坡坡面水平位移變形量是判斷邊坡是否失穩的重要依據之一。提取極限狀態下的邊坡位移監測點（圖2）水平位移進行分析，如圖8所示。

由圖8可知：坡面整體位移大小關系為原始邊坡＜錨索+抗滑樁邊坡＜未支護邊坡＜抗滑樁支護邊坡，抗滑樁支護邊坡對一級坡變形有較好的支護作用，但因未對二級坡和三級坡進行支護，易導致上部坡體產生較大變形，形成新的淺層滑面。測點1，2和3為一級坡面位移監測點，開挖后邊坡水平位移發生突增，可作為滑體剪出口判斷依據，后期進行跟蹤監測；測點4，5和6為二級坡面測點，抗滑樁支護邊坡水平位移發生突變，達到最大值，可作為淺層滑體的剪出口判斷依據，后期進行跟蹤監測。

進一步分析邊坡位移監測點水平位移隨抗剪強度（強度折減系數）的變化規律。因邊坡最終支護形式為預應力錨索+抗滑樁支護結構，故選取此工況下的位移數據進行分析，如圖9所示。

由圖9可知，坡面水平位移整體與折減系數成正比。從各測點來看，Fr＜1.53時，坡面整體位移較小，二級坡水平位移略大于一級坡，而一級坡略大于三級坡；抗滑樁和錨索支護效果較好，邊坡穩定性較好。當Fr≥1.53時，測點1，2，3和4的位移較大，測點5，6，7和8位移減小，測點9和10位移進一步減小，測點11位移相對增大，測點12和13位移再逐漸下落。由此可知，隨著抗剪強度下降，抗滑樁受一級坡土體擠壓而發生位移，坡頂位移最大，坡腳位移最小；二級坡和三級坡在預應力錨索支護作用下，坡體變形得到控制，遠小于未支護下的坡體水平位移；三級坡上方土體因坡率較小，未進行錨索支護，導致測點11位移有所增大。

3.3 抗滑樁受力特征

從模擬結果看，抗滑樁支護和錨索+抗滑樁支護下的抗滑樁受力規律基本相同。選取變形更大的抗滑樁支護邊坡模型進行規律分析。抗滑樁水平方向變形云圖如圖10所示。

由圖10可知：抗滑樁從樁頂至樁腳的水平位移逐漸減小，懸臂段整體彎曲變形較大；錨固段呈現較好的錨固性，變形較小，屬于典型的中長樁變形特征，即上部懸臂段具有良好的抗滑性能，能將樁后滑體土壓力傳至下部嵌固端；嵌固段則表現出較好的嵌固性能，能夠承擔較大的土壓力而不發生較大位移變化。

為更好地分析抗滑樁受力機制，對抗滑樁剪力和彎矩進行分析，如圖11～12所示。

由圖11可知，抗滑樁樁身剪力整體呈“S”型分布，剪力零點位置距樁頂約13 m，即距樁頂0～13 m內，剪力為正，最大正值均出現在坡腳位置（距樁頂8 m）；距樁頂13～20 m內，剪力為負，最大負值位置距樁頂約18 m。分析可知：懸臂段樁后部位受主動土壓力較大，土體擠壓抗滑樁產生位移；嵌固端樁前被動土壓力較大，擠壓土體產生較大抗力。從抗剪強度的變化來看，Fr=0.85和Fr=1.2時，剪力相對較小，土體抗剪強度高，邊坡穩定性較好，對抗滑樁作用較小；Fr=1.82和Fr=1.93時，土體抗剪強度較小，逐漸進入塑性階段，土體對抗滑樁產生較大剪力，不利于邊坡穩定。

由圖12樁身彎矩曲線可知：各抗剪強度下，樁身彎矩基本為正值，表現為受壓的力學特征；樁頂附近出現較小范圍的負值，彎矩最大值位置距樁頂約13 m，與剪力零點位置大致吻合，彎矩正值遠遠大于彎矩負值，抗滑樁以受剪力作用為主，錨固性較好。

綜合圖11～12可知，抗滑樁以剪力破壞為主，坡腳處所受剪力最大，在實際設計中可適當加大配筋率，以提高樁身在坡腳處的抗剪性能。

3.4 肋柱受力特征

錨索通過預應力張拉并錨固在肋柱梁上，肋柱受力破壞特征直接影響錨索錨固性能。肋柱應力沿測線的分布曲線如圖13所示。

由圖13可知：錨索固定位置應力大幅增加，近似于集中點荷載，對肋柱的強度要求較高，可適當在設計中加密配筋；錨索與錨索中間段肋柱受力相對較小；兩端為底梁和頂梁，受力最小。從抗剪強度變化情況來看，錨索中間段肋柱受力基本不變，抗剪強度的減小主要影響錨固處受力狀態，造成肋柱整體受力不均勻，使其在降雨等不利工況下易產生不均勻位移，對肋柱支護效果產生不利影響。

由于抗剪強度值的變化僅改變彎矩和剪力數值的大小，并不影響其規律分布，因此僅對Fr=1.2時的肋柱彎矩與剪力分布曲線進行分析，如圖14所示。

由圖14（a）可知：錨固點處彎矩值均在0附近，隨著沿測線距離增大，彎矩先為正值，再逐漸變為負值；正值體現為受壓特征，即錨固點對肋柱產生壓力；負值則體現為受拉特征，即兩錨固點中間位置的滑坡土體產生抗力，易使此部位肋柱形成張拉裂縫。由圖14（b）分析可知：錨固點處剪力最大，均為負值，體現為肋柱受錨索壓力作用，壓力大且集中，近似為集中點荷載，設計時可適當加密此處配筋；隨沿測線的距離增大，剪力逐漸減小至零再增大至最大正值，即錨固點壓力隨著距離的增大逐漸減小，土體對肋柱產生的抗力逐漸增大，在2個錨固點中間部位達到最大值，易導致肋柱拉裂破壞；肋柱錨固點位置以剪力作用為主，各錨固點中間以彎曲作用為主。

4 結 論

本文結合森林大道高邊坡治理工程的工程地質條件，對未開挖、開挖未支護、抗滑樁支護和肋柱式預應力錨索+抗滑樁支護等4種工況下的邊坡穩定性、變形特征及支護結構作用機理進行分析，得出以下結論。

（1） 4種工況下的相應強度折減系數關系為未開挖邊坡＞肋柱式預應力錨索+抗滑樁支護邊坡＞抗滑樁支護邊坡＞未支護邊坡。開挖后邊坡穩定性大幅度下降，抗滑樁可以有效阻止坡腳變形，但對上部坡體支護效果不佳；預應力錨索+抗滑樁組合的支護效果最佳。

（2） 抗滑樁懸臂段剪力為負，嵌固段為正，最大值出現在一級坡的坡腳附近，剪力零值距樁頂約13 m；抗滑樁彎矩基本為正值，最大值處距樁頂約13 m；抗滑樁主要受剪力作用破壞。

（3） 肋柱式預應力錨索支護結構作用下，錨固點處剪力最大，近似于集中點荷載，彎矩大小接近零；錨固點中間段肋柱剪力由受壓向受拉變化，在中點附近達到最大拉剪應力，彎矩則先為正值再變為負值，受力特征與剪力圖相吻合。

參考文獻：

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（編輯：江 燾）

Numerical simulation analysis on reinforcement mechanism of support structure for artificial excavation high slope

LI Jian，ZHOU Wei，YANG Longwei，JIANG Qiangqiang，CHEN Tao

（CCTEG Wuhan Engineering Company，Wuhan 430000，China）Abstract：

In order to improve the stability of excavated slope，the excavation high slope in Forest Avenue，Wuhan，Hubei was taken as the research object.The strength reduction method was used，and the stability and deformation characteristics of the slope and the action mechanism of the support structure under 4 different working conditions，such as the pre-excavation slope，the unsupported slope，the anti-slide pile support slope and the ribbed column prestressed anchor cable + anti-slide pile support slope，were studied based on numerical simulation method.The results showed that： ① The stability coefficient decreased significantly after slope excavation，and the anti-slide pile could effectively prevent the deformation of the soil at the slope toe.The plate rib anchor cable had good reinforcement effect on the soil above the anti-slide pile.The slope stability in each working conditions decreased as follows： unexcavated slope，ribbed column prestressed anchor cable + anti-slide pile support slope，anti-slide pile support slope，unsupported slope；② The anti-slide pile was mainly affected by shear force.The shear force of the cantilever section was negative，and that of the embedded section was positive.The maximum value was near the toe of the first-grade slope，and its bending moment was positive.The maximum value was about 13 m from the pile top；③ In terms of the stress of the rib column，the shear force at the anchor point was the largest，which was similar to the concentrated point load，and the bending moment was close to 0.The shear force of the middle section of the anchor point in the rib column was transformed from compression to tension，the maximum tensile and shear stress was reached near the midpoint，and the bending moment was first positive and then changes to negative.

Key words：

excavation high slope； supporting structure； strength reduction method； stability analysis； numerical simulation

收稿日期：

2022-05-11

基金項目：

國家自然科學基金“水庫環境下多滑面滑坡漸進破壞機制與動態穩定性研究”（42007279）

作者簡介：

李 堅，男，碩士，研究方向為地災治理。E-mail：614731141@qq.com