強震山區邊坡支護結構參數影響研究

丁仁斐

（江西省水投建設集團有限公司，江西 南昌 330000）

1 前言

文中以山區某水庫邊坡為研究對象，采用Flac3d有限差分軟件，分析不同支護結構參數對地震荷載作用下的邊坡及支護結構穩定性的影響。

2 邊坡工程概況

2.1 邊坡工程概況

該邊坡位于山區，具有“丘槽相間、丘圓槽緩”的地貌特征。地形起伏不大，地面高程450～502 m，相對高差15～50 m，自然橫坡10°～45°，斜坡地帶基巖部分裸露，覆土較薄，坡面上灌木叢生；溝槽覆土相對較厚。沿線民房分布，有道路相通，交通條件好。

邊坡高35.38 m，坡頂寬11.73 m，底部寬42.12 m，邊坡按設計開挖有高7 m的直立一級邊坡，以及坡率為1∶1的二、三級邊坡。邊坡自上而下分布有4.50～5 m 厚的強風化泥巖和9.50～10 m厚的弱風化砂巖以及位于底部的砂巖層。

2.2 支護結構參數設置

文中研究中，一級邊坡采用截面尺寸1 m×1.20 m，長15 m的抗滑樁進行支護，樁身采用C30 鋼筋混凝土灌筑，γ=26 kN/m3，K=17.2 GPa，G=12.9 GPa。二、三級采用錨桿支護，垂直于墻面施作，橫向間距1.1 m，錨桿縱向間距1.2 m，錨桿鉆孔直徑φ90 mm，施工傾角為4°，錨桿彈性模量3×106MPa，泊松比0.21。

2.3 地震波設計

研究采用Flac3d中的動力計算模式，將地震波輸入到邊坡模型，模擬邊坡在地震作用下的穩定性變化及支護結構的穩定性。根據地震局提供的附近區域近年所記錄的地震波數據，基于濾波梳理技術，設置峰值加速度小于0.40 g，地震時間為12 s，時步0.04 s。

3 數值模擬

3.1 模型建立與選擇

將cad線文件導入犀牛軟件進行實體建模，并采用六面體單元生成網格模型，最終將犀牛模型文件導入Flac3d軟件生成計算模型。假設巖土體為均勻、各向同性連續性介質，有限元模型中，風化土、風化泥巖、砂巖均選用摩爾庫倫本構關系，抗滑樁選用線彈性本構關系，滑面服從摩爾庫倫屈服準則。

根據野外調查以及邊坡設計圖紙，確定邊坡的幾何特征，利用Ansys 軟件根據cad 線文件進行實體建模，并采用四面體單元格進行網格劃分，再將模型文件導入Flac3d 軟件進行模擬。模型底面約束z 方向位移，側面采用法向約束，模型總計234 571個計算單元，185 474個網格節點。

此次數值模擬分以下幾個步驟進行：①導入邊坡模型并進行自重計算。②邊坡位移場速度場清零，并對邊坡分三級進行開挖，分析邊坡穩定性。③設置如前文所述的支護措施，并計算邊坡位移及支護結構受力特征。④導入地震波，計算并分析地震作用下的邊坡穩定性及相關表征參數。

3.2 地震荷載作用下的邊坡穩定性分析

如圖1-a所示，邊坡地震前最大水平位移僅為1.50 mm，邊坡水平位移得到有效約束，可以認為邊坡處于穩定狀態，如圖1-b 所示，當邊坡經過地震荷載作用后，最大水平位移位于邊坡頂部，數值達到72 mm，已經超過邊坡安全位移范圍20 mm，且邊坡出現如圖中紅色虛線所示的滑動面，故可以說明此時邊坡將發生滑動，邊坡在地震荷載作用下邊坡處于欠穩定狀態，抗滑樁及錨桿支護已失效，需要采取更加合理的措施以加固邊坡。

圖1 邊坡地震前后水平位移云圖

圖2為地震前后錨桿應力云圖。由圖可知，錨桿應力呈現沿豎直向下方向逐漸增加的變化趨勢，震前最大錨桿應力位于二級邊坡坡頂處，數值約為1.22×107Pa。地震后錨桿應力呈現中間大兩端小的規律，原因可能是因為墻后土體推力作用，導致錨桿中間應力集中。綜合錨桿應力數值來看，應力大于錨桿極限承載力1×108Pa，可認為錨桿在地震工況下支護效果較差，實際工程中應采取更高強度的錨桿。

圖2 地震前后錨桿應力云圖

邊坡在經歷時間約為12 s 的地震荷載作用下采用強度折減法計算得到的穩定性系數變化曲線。不難看出，在施加地震荷載作用的前4 s 內，邊坡安全系數下降最快，從1.90 下降至1.23，在第四秒后，邊坡安全系數下降速率減小，到達第12 s時，邊坡穩定性系數已降低至1.03，小于《建筑邊坡工程技術規范》中要求的1.05。

3.3 地震作用下的錨桿參數影響研究

通過研究可以得出結論，一般的組合支護結構已無法約束邊坡水平位移，尤其在強震山區，邊坡宜采用強度更高，尺寸設計更加合理的支護結構。文中設計了不同錨桿長度對邊坡穩定性影響規律的模擬方案，當錨桿長度為4m時，邊坡安全系數僅為1.03，當錨桿長度從4 m 增加至10 m 時，邊坡安全系數增加至1.41，此時邊坡已處于穩定狀態，當再次增加錨桿長度時，此時邊坡穩定性系數緩慢增加，16 m的錨桿支護下，邊坡穩定性系數達到最高值1.45。

如表1所示，邊坡安全系數整體呈現隨錨桿數量增加先快速增加后逐漸收斂的規律，當邊坡無錨桿支撐時，邊坡安全系數為1.04，當施加第一根錨桿時，邊坡安全系數得到有效提高，數值達到1.22，增加了11.5%，當錨桿數量增加至5根時，邊坡安全系數達到1.46，此后再增加錨桿數量，邊坡安全系數基本收斂。

表1 錨桿數量與邊坡安全系數對應關系表

綜上所述，地震作用下的邊坡安全系數受錨桿結構與設計參數（錨桿長度、錨桿數量）影響較大，在綜合考慮施工成本以及邊坡穩定的條件下，實際強震山區邊坡宜采用長度為10 m，數量為5根的錨桿進行邊坡加固。

3.4 地震作用下的抗滑樁參數對邊坡穩定因影響分析

通過研究可以得出，在強震山區，邊坡宜采用強度更高，尺寸設計更加合理的錨桿結構，然而在強震山區邊坡宜采用何種抗滑樁依舊是邊坡治理的核心問題。基于此，設計了不同抗滑樁尺寸對邊坡穩定性影響規律的模擬方案。

邊坡在抗滑樁尺寸為0.50 m×1 m的支護作用下，邊坡安全系數為1.04，邊坡最大位移為33 mm，最大有效塑形應變達2.01，此時邊坡處于不穩定狀態。將抗滑樁尺寸提升至1 m×1.50 m時，邊坡安全系數提高至1.21，增加了16.3%，最大總位移減小18 mm，降低了45%，此時邊坡已處于穩定狀態，仍需進一步采取大截面抗滑樁。當采用2 m×2.50 m尺寸的抗滑樁進行支護時，邊坡安全系數為1.32，邊坡最大位移為降低至10 mm，最大有效塑形應變為0.55，此時邊坡處于穩定狀態。

4 結論

以某水庫邊坡為研究對象，采用有限元分析方法，從邊坡位移以及支護結構的受力、位移等角度，分析地震荷載對邊坡穩定性的影響。得到以下結論：

第一，邊坡地震前最大水平位移為1.50 mm，邊坡較穩定，經過地震荷載作用后，最大水平位移位于邊坡頂部，數值達到72 mm，邊坡將發生滑動，需要采取合理的加固措施。

第二，地震作用下的邊坡安全系數受錨桿結構與設計參數（錨桿長度、錨桿數量）影響較大。邊坡安全系數整體呈現隨錨桿數量增加先快速增加后逐漸收斂的規律。

第三，當采用2 m×2.50 m尺寸的抗滑樁進行支護時，邊坡安全系數為1.32，最大位移降低至10 mm，最大有效塑形應變為0.55，地震工況下的邊坡處于穩定狀態。