富水工況下公路高邊坡穩定性數值模擬分析

鄧 勇，蘭 云

(廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510623)

0 引 言

地下富水層導致施工期公路產生突水與突泥現象，大型挖掘工程中，邊坡巖體和地下水相互作用[1-5]，導致邊坡的滲流場和應力場發生嚴重的不良變化。富水層中水體的滲流體積力和動水壓力影響邊坡支護結構的穩定[6]，滲流壓力和公路建設挖掘動力相互耦合，降低邊坡的穩定性。我國眾多學者針對邊坡穩定性開展研究。邵志強[7]采用BIM技術實現公路邊坡穩定性分析，通過真實感較強的虛擬三維模型，分析邊坡穩定性變化情況，明確影響邊坡穩定性的因素。該研究屬于數值模擬研究，三維模擬效果較為清晰，處理技術水平較高。趙健倉等[8]利用運動學的立體投影法，分析邊坡常出現的自然坡角失穩情況，獲得多種工況下的邊坡穩定性分析結果。該方法綜合定性與定量分析，具有較高針對性，但研究流程較為復雜。

針對上述穩定性數值處理技術水平較高、邊坡定量研究流程較復雜的問題，本文采用FLAC3D有限元軟件，模擬富水工況下公路高邊坡失穩應力峰值，為滑坡災害治理提供新思路。

1 工程概況

雄信高速TJ2標軟土路基換填路段是南雄～信豐高速公路中的重要路段，位于北回歸線以北，為亞熱帶季風濕潤氣候，四季差別明顯，每年1月出現極端寒冷天氣，且雨熱同期。TJ2標段包含起訖樁號K7+120～K7+560(位于TJ1標挖方段高邊坡)、K13+000～K23+000長10.44 km的路基、橋涵工程以及起訖樁號K0+000～K23+000長23 km的路面，位于南雄境內，靠近大庾嶺南部，地形特點為北部寬廣、南部狹長，公路兩側為高邊坡，邊坡坡度在15°～25°之間，地面標高在226～327 m之間。

雄信高速TJ2標軟土路基換填路段為紅砂巖，地形為盆地，屬于丘陵地貌，受多條斷裂帶構造的影響，糜棱巖化現象嚴重。公路貫穿丘陵地貌、盆地地貌以及河流谷地，地面水系發達，水位埋深受地層結構影響形成富水層。

2 數值模擬

2.1 模型建立

在研究區內布置10個土體深度位移測斜孔、1個抗滑樁深部位移測斜孔、數個監測點，獲得邊坡實際滑動變化位置，利用FLAC3D有限元軟件計算邊坡數值。本文所研究的雄信高速TJ2標軟土路基分為3種工況邊坡模型：

(1)原始工況。設不同地層土體的摩擦系數為0.28，邊坡摩擦系數為0.32，采用PLANE82單元，節點數量為29 564，各節點自由度為2，單元數量為9 849個，網格密度為2 mm。將現場勘查地質資料與邊坡尺寸、土體等參數輸入到FLAC3D有限元軟件，假設各節點為均質狀態，具有向同性，按照D-P屈服準則，構建無外部因素干擾下的本構模型。

(2)富水工況。開挖施工后巖體受富水層水體影響形成紅砂巖透水性邊坡[9]，但紅砂巖滲水情況仍處于可控范圍內[10-11]。

(3)不同支護方式下工況。選擇擋土墻支護、抗滑樁支護、草皮護坡3種支護方式，利用限元軟件，只考慮邊坡自身的重力與應力場，模擬3種支護方式效果，得到不同巖層的邊坡位移變化結果。

各層材料力學參數見表1。構建的邊坡網格劃分有限元模型見圖1。

圖1 邊坡網格劃分有限元模型

表1 材料力學參數

2.2 模型計算

有限元強度折減法運用ANSYS和ABQUS[12]大型有限元程序，在理想的彈塑性有限元計算中，降低斜坡巖土體的抗剪強度值，直至達到失效狀態。當邊坡處于不穩定狀態時，停止收斂有限元計算，確認折減系數作為穩定系數。分析過程清晰、結果直觀，展現了有限元程序的優勢。應用有限元強度折減法，邊坡穩定性應力等效參數擬合的輸出期望函數為

(1)

式中，Nφ為輸出期望函數；t1和t2為橫向與切向集中力；s為卸荷應力；Γ為斜坡巖土體應力計算函數；γ為斜坡巖土體內土單元受力。隨機施加邊界條件后，抗拉強度的最大值為

(2)

邊坡穩定系數的運算流程為：折減系數F同時被原始黏聚力c與內摩擦角φ所除，調整F值，獲取不同黏聚力c′和內摩擦角φ′。將c′與φ′代入到有限元軟件中，當邊坡接近失穩狀態，獲得紅砂土邊坡穩定系數Fs[13-14]。

3 數值模擬結果分析

3.1 原始工況

無外部干擾情況下，X、Y方向高邊坡允許位移量數值模擬結果見圖2。從圖2可知，X方向允許位移量為30.15 mm，與高邊坡發生滑坡的方向相反；Y方向允許位移量為-40.31 mm，與高邊坡發生滑坡的方向一致。高邊坡位移由上至下逐漸減小，說明邊坡上部的位移大，底部平緩，位移小。

圖2 高邊坡允許位移量

3.2 富水工況

內摩擦角、黏聚力、邊坡高度以及坡度是影響富水高邊坡穩定性的關鍵參數。分析不同參數值下富水邊坡穩定系數的變化：當穩定系數為1.14時停止收斂，穩定系數為1.15時繼續收斂，穩定系數達到1.54時，再次停止收斂，說明穩定系數在1.15～1.54之間，為穩定邊坡；若穩定系數等于或低于1.15，即應力峰值等于或低于-7.500×106～-6.5×106MPa，為失穩邊坡。模擬結果見圖3。從圖3可知，富水高邊坡穩定系數與內摩擦角和黏聚力之間均呈現出正比例關系，線性遞增關系明顯，說明內摩擦角和黏聚力是影響富水高邊坡穩定系數的關鍵因素；而坡高和坡度都與富水高邊坡穩定系數呈反比例關系，說明坡高和坡度為非重要因素。治理富水高邊坡失穩問題，可以嘗試擴大內摩擦角。

圖3 不同參數對富水邊坡穩定系數的影響

枯水期與漲水期高邊坡的失穩應力峰值變化見圖4。從圖4可知，枯水期的邊坡穩定系數約1.54，應力峰值為-2.9×106～-2.6×106MPa，屬于較為穩定邊坡。且枯水期紅砂土層中的水分較少，降低該高邊坡的水壓，使高邊坡的主應力在枯水期階段較小，提升高邊坡的穩定系數。漲水期高邊坡應力值的總體變化與枯水期類似，但是應力值小于枯水期的高邊坡，總體穩定系數為1.15，應力峰值為-7.500×106～-6.5×106MPa。漲水期導致紅砂土層中水分較多，富水情況嚴重，應力集中在平行臺階位置持續變化，導致滑坡現象產生，漲水期高邊坡屬于失穩邊坡。

圖4 不同季節高邊坡應力變化

3.3 不同支護方式工況

考慮到Y方向位移變化顯著，因此只對邊坡Y方向的允許位移量變化進行分析。在有限元模型中選取7個點，每個點與坡腳距離間隔1 m，分析各個點在不同支護方式工況下的Y方向位移變化，結果見圖5。從圖5可知，枯水期擋土墻支護方式最大位移為68 mm，草皮支護方式為65 mm，抗滑樁支護方式為15 mm；漲水期擋土墻支護方式最大位移為195 mm，草皮支護方式為140 mm，滑樁支護方式為45 mm，說明抗滑樁支護方式支護效果較好，可提高富水高邊坡的穩定性。考慮抗滑樁支護方式對滑體擾動小，可根據滑面位置和滑動方向隨時調整抗滑樁支護方向，更符合工程實際應用需求。

圖5 不同支護條件下富水邊坡的位移

4 結 語

本文以雄信高速TJ2標軟土路基換填路段為例，采用FLAC3D有限元軟件，分析富水工況下公路高邊坡允許位移量。在無外部條件干擾情況下，富水高邊坡Y方向的位移嚴重，富水工況導致高邊坡容易發生滑坡；漲水期富水工況邊坡含水量大，加劇邊坡的失穩情況；枯水期高邊坡穩定性良好，黏聚力、內摩擦角與邊坡穩定系數呈正相關。