Midas GTS-NX在机场边坡动态设计中的应用

■ 王静

（中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，贵州 安顺 561000）

滑坡是常见的一种易发和危险性极大的工程地质灾害问题之一[1]。随着我国基础建设的发展和国家“十三五”规划的开展，为了加快我国西部基础建设的进展，克服不利地形对交通建设的不利影响，航空运输因为便捷、快速的特点，其得到了广泛的应用[2][3]，机场跑道占地面积大、跑道长度长，山区自然地形条件不能很好满足机场建设的需要，各国普遍采用高填方边坡的形式填筑机场，同时高边坡引发次生危害[4][5]；研究了国、内外学者针对机场边坡的失稳问题开展了很多研究，普遍认为在机场高填方填筑中引起的边坡失稳原因主要是人为因素和不良地质条件。近年来,有学者通过分析现场勘查技术，结合有限元软件建立场区边坡数值模型，计算并分析极端工况下的应力、应变，分析边坡潜在变形机理，为工程设计阶段提供参考，利用有限元法对机场高填方边坡填筑施工过程的分析，研究施工中边坡场区荷载激励下的应力、位移场的变化，提供一定的动态施工的参考依据[6]。针对我国西部某机场高填方边坡的填筑中边坡对周围村庄及边坡自身稳定性的数值模拟，研究填方边坡的变形机理及稳定程度，并对稳定程度较低的边坡采用相对应的加固措施，达到经济、适用、安全和美观的要求。

一、工程概况

我国西北部某新建机场，由于地处黄土高原腹地，为了克服山区沟壑无法满足修建机场跑道的天然不利因素，通常采用挖填方式整平场地的方式修筑，利用对应的地基处理技术经处理后才是处理机场跑道的比较有效的途径之一[7]，但填土高度增加，极易引发边坡失稳地质灾害问题。在高填方施工中引发老滑面失稳。

二、有限元法

为了分析机场高填方边坡变形机理，研究边坡的稳定状态，并选择合理、经济的支护方式，利用岩土有限元软件Midas GTSNX模拟填方边坡，得到不同工况条件下的边坡稳定系数，通过安全系数与规范比较，判断边坡的稳定状态；根据计算推力结果加固潜在不稳定的边坡，计算加固后边坡的稳定安全系数，对比稳定系数判断边坡治理效果。Midas GTSNX中采用的有限元法分为强度折减法（SRM法）和有限元法（SAM法），本次建模分析高填方边坡初始及加固后的稳定状态，填方土体主要为素填土，为了模拟效果尽可能接近实际，本次采用的基本理论假设为土体均质、边坡单元约束条件为底部刚接，左右两边铰接，土体采用摩尔-库伦本构模型，采用SRM法计算，不断折减土体的抗剪强度指标c、φ，也就是说假定滑体处于极限平衡状态，通过不断折减滑动面位置的抗剪指标使塑性区范围不断扩大，当滑动面的塑性区出现贯通时，则滑坡坡体已处于极限状态，边坡数值分析过程中不断增加折减系数，反算至其达到临界破坏，折减系数即为边坡的安全系数Fs，强度折减法计算公式如公式（1）、公式（2）所示。

其中，CF-折减后的黏结力，φF-折减后的摩擦角，Ftrial-折减系数。

岩土中边坡计算相对结构计算而言，由于岩土是一种比较复杂、非均匀和非各向同性材料，因此岩土工程分析的滑坡，设计中通常采用“工程类比法”[8]，但也存在设计工作量大、对滑坡滑动认知不足的缺点，为了克服设计中不利因素，减轻设计人员的工作量及加深对滑坡变形机理和特征的认识，通常利用有限元软件可以在缺乏工程经验或者前期为了预测坡体在不利工况下变形趋势和分析影响边坡稳定性的因素。

计算滑面的土体抗剪强度指标及防护工程的物理力学参数指标如表1所示。

为了准确分析老滑坡体与高填方边坡耦合体系协同上的变形机理、滑动趋势和变形特征等，建立老滑体与高填方边坡耦合协同体系数值模型，如图1所示。利用midas的Mohr-Coulomb单元，划分成四面体+三角单元建立考虑土体、桩土的接触单元的耦合有限元模型组合模型，模型的单数量为6276个，考虑材料非线性效应，为了加快收敛速度，采用弧长法搜索最不利位置的滑面，有限元模型如图1所示，求解的潜在滑动面如图2所示，耦合体系的计算结果如图2所示，塑性区主要集中在填方体内，滑面位置与现状滑动面位置基本吻合。

表1 参数指标

图1 老滑坡与高填方耦合模型

图2 耦合体系塑性区云图(Fs=1.02)

图3 老滑坡断面图

实际勘察滑坡主滑动位置断面如图3所示，从图1、图2、图3可以看出，有限元结果与现场勘察结果对比分析可以看出，耦合体系的计算结果与实际主滑面的位置、形态还有剪出口位置和趋势基本吻合，图1所示，塑性区主要集中在填方体内，钻探的主滑面位置与模拟结果最大高差为1.5m，主滑面位置与现状滑动面位置基本吻合，填方体坡脚存在两个剪出口，第一个剪出口与现场勘察发现剪出口位移一致，表明老滑坡存在沿老滑动面滑动趋势，与现场实际情况吻合度良好，如图2所示；第二剪出口位于填方体最后一级坡脚处，二者空间高差位置差50cm，表明模拟结果与实际吻合良好，新填筑的填土存在沿着老地面滑动的潜在可能，坡脚需要采取支护措施。

三、加固措施及效果分析

利用数值模型分析结果，新填筑边坡存在二者耦合滑动趋势，滑动特征表现在：（1）新建施工扰动加速下部老滑坡的蠕动，现已出现剪出口；（2）新填筑的边坡属于高填方，存在典型失稳的特征。

为了达到治理高填方边坡失稳的问题，抗滑桩作为主要支挡工程，由于填方体高度约48m，抗滑桩布设于坡脚位置，滑坡抗力抵消一部分滑坡推力，桩长可以做到经济长度同时保证预期的治理效果，施加抗滑桩模型如图4所示。

图4 抗滑桩支护后塑性区云图(FS=1.24)

选取填筑高度最高的48m断面计算现状条件利用抗滑桩支护后塑性区云图；通过对比分析施加抗滑桩前后的新填方与老滑面耦合体系整体的稳定性，检验工程治理的效果。为了防止其进一步滑动引发地质灾害事故，在对老滑体的数值模拟过程中，老滑面主滑面所在位置平均深度约24m，实际中钻孔岩芯测量滑面平均深度约23.2m，数值分析结果与实际主滑面所在位置和角度基本吻合。

利用有限元软件计算能够准确模拟老滑坡体上高填方二者蠕动耦合效应，分析二者协同变形机理，利用数值模拟结果，设置抗滑桩考虑老滑面和潜在滑面变形影响，考虑两个剪出口与抗滑段相对位置并计算剩余桩前下滑力的影响，设置坡脚抗滑桩保证坡体的稳定性，设计支护断面如图5所示，实际防护工程位置布设如图6所示，在潜在滑动面剪出口位置附近布置一排2.0m×3.0m抗滑桩，桩长为30m，通过对边坡的地表位移监测，结果表明，抗滑桩的存在明显限制了边坡水平位移的发展。

图5 锚索-抗滑桩支护体系

图6 坡脚增设锚索排抗滑桩

图2和图4结果表明：（1）现状条件下边坡稳定系数Fs=1.02，坡面产生一条贯通潜在滑动面，老滑面位置及剪出口与实际吻合，新填土存在潜在剪出口；（2）利用抗滑桩在坡脚潜在滑动面处加固后稳定安全系数Fs=1.24，桩后土体水平位移明显减小，抗滑桩的抗力抵消大部分土体的下滑力，说明抗滑桩在一定程度上限制坡体沿潜在滑动面滑动的趋势，达到治理工程设计的效果。

四、结论

为了研究西部机场高填方边坡的稳定性及抗滑桩加固效果，利用Midas GTSNX建立了机场填方体边坡的数值模型，分别计算边坡的稳定系数，通过对比分析，主要结论如下：

（1）由于山区机场高填方边坡内部存在产生潜在滑动面而存在失稳的可能，新填筑高填方在老滑坡体上并引发老滑坡蠕动，利用数值软件计算二者协同变形特征和蠕动的趋势，不仅老滑体在坡脚出现深层剪出口，新填筑坡体存在老滑体上部剪出的可能。

（2）支护前边坡稳定系数Fs=1.02，利用抗滑桩在坡脚加固后稳定安全系数Fs=1.24，加固后边坡处于稳定状态，抗滑桩的存在在一定程度限制了边坡沿潜在滑动面滑动的趋势。

（3）利用有限元软件计算能够准确模拟老滑坡体上高填方二者蠕动耦合效应，分析二者协同变形机理、潜在滑动面变形趋势及变形特征，对比支护前后的数值模型计算结果，结合设计工作，达到安全、经济、适用和美观的治理效果。