ABAQUS强度折减法在抗滑桩边坡稳定性监测中的应用

彭钟　张志超　熊雅文　李杭哲

摘要：为了合理设置抗滑桩边坡监测的监测点、监测方式及监测预警值，文章利用ABAQUS软件建立了三维有限元模型，采用强度折减法对广西某高速公路抗滑桩边坡段进行了边坡失稳状况模拟，并对比分析了现场失稳监测数据和数值模拟结果，发现模型失稳时的抗滑桩顶位移值与实测值仅有2 mm的不闭合量，验证了所建模型的精度较高，说明以强度折减法来模拟抗滑桩边坡失稳是可行的。研究结果可为今后类似的抗滑桩边坡监测提供参考。

关键词：抗滑桩;边坡;强度折减法;数值模拟;监测

0 引言

我国高速公路经过多年的发展建设，交通网络已日益完善，人民群众的出行也更加快捷方便。我国地域辽阔，地形地貌复杂多样，高速公路沿线的边坡数量众多。据每年统计的高速公路灾害事故中，边坡灾害事故占比第一，边坡失稳严重威胁着人民的生命财产安全。为了提高边坡的稳定性，抗滑桩是重要的边坡防护措施之一，通过将抗滑桩嵌入边坡体可以有效提高坡体稳定性，降低边坡失稳风险，而抗滑桩对边坡体稳定性的提高是有限的，边坡失稳的可能性依旧存在。边坡失稳是边坡变形累积到一定量值的结果，针对这种情况，边坡稳定性监测显得至关重要。边坡稳定性监测通过布设监测点，观测边坡的变形发展状况，当变形累积到一定量值后及时预警，便可以最大限度地降低生命财产损失。为保证边坡监测的准确性与可靠性，本文通过ABAQUS有限元分析，结合实际边坡工程，论述边坡监测点的布置及边坡监测手段的选择，得出的相关结论可为以后类似的边坡监测提供参考。

1 边坡强度折减模型

1.1 工程概况

广西某高速公路K2686+600～K2687+500下行线路堑边坡为古滑坡治理区，滑坡区出露、揭露地层主要为第四系残坡积堆积物（Q el+dl），第四系冲积物（Q al）;基岩为泥盆系中统地层和下统那高岭组（D1n）、莲花山组（D1l）。该地区年平均降雨量为2 046 mm，且为广西多雨、暴雨中心地带之一。边坡体粉砂质泥岩较多，遇水易软化，且坡体内部岩层完整性较差，节理裂隙发育，在降雨作用下有利于滑移面的发展。边坡抗滑桩处置坡段高30 m，坡度为1∶1，桩长为16 m，直径为1 m，桩间距为5 m，桩位置距离坡脚为10 m，桩端距离岩土体底部5 m。为监测这段坡体的稳定性，监测单位于2019年7月对该段坡体布设了监测仪器与测点。

1.2 建立有限元模型

1.2.1 基本假设

（1）桩体、坡体为均质，各向同性材料。

（2）忽略植被对坡体表面的加固作用。

（3）不考虑坡体后方稳定岩土体的影响。

1.2.2 材料选取

坡体采用弹塑性模型，塑性部分采用摩尔-库伦屈服准则，抗滑桩采用弹性模型。具体材料参数根据现场地勘资料选取，具体如表1所示。

1.2.3 模型大小

利用对称性取抗滑桩边坡一剖面段进行1∶1建模，剖面厚度为2.5 m，单元类型采用C3D8单元，单元数量为15 020个。

1.2.4 分析工况

整个分析过程分为地应力平衡与强度折减，地应力平衡采用ODB地应力平衡法，强度折减通过设置材料场变量的方式实现。

1.2.5 边界条件

模型前后限制X方向位移，左右限制Y方向位移，底部固定。

2 模型结果分析

2.1 地应力平衡

地应力平衡效果如图1所示。

地应力平衡最大位移在10 e-4 m数量级，且边坡竖向应力分布符合一般规律，地应力平衡成功。

2.2 边坡强度折减失稳结果

边坡模型失稳位移变形结果如图2所示。

由图2可知：

（1）抗滑桩边坡失稳最大合位移发生在抗滑桩顶及坡顶平台位置，抗滑桩合位移呈水平向，坡顶平台合位移呈垂直向。

（2）抗滑桩至坡脚部分坡体位移要普遍大于桩后坡体。

（3）坡体岩土体位移矢量路径呈圆弧状。

（4）X方向水平位移主要集中于抗滑桩下方坡体，桩后侧坡体水平位移量较小，在距离坡脚4 m附近的坡面区域位移变形值最大。

边坡失稳过程塑性分布发展情况显示：

（1）边坡塑性变形最早出现在桩顶前侧接触部分及坡脚附近处。

（2）随着边坡强度的不断折减，坡脚位置处的塑性区域不断扩大，且桩后侧坡体深处出现塑性区。

（3）边坡失稳时的塑性区域贯通为近似圆弧面，且坡脚位置处的塑性量最大。

以坡脚与平台交接处一点为特征点，折减系数FV1与水平位移U1的关系曲线如图3所示。

当折减系数达到1.83时，边坡达到临界破坏状态，计算不收敛，因此本抗滑桩边坡稳定系数取1.83，抗滑桩对边坡的稳定性加固效果较好。曲线在FV1=1.2与FV1=1.61處都出现过突变，但在后续曲线变化中都恢复平稳，因此未选取作为安全系数值。

抗滑桩前后侧面接触应力如图4所示。

由图4可知：

（1）抗滑桩前后两侧初始接触应力沿埋深大致呈线性增长分布，其大小与地应力场分布有关。

（2）边坡折减失稳状态时，抗滑桩前后两侧接触应力出现双峰型分布。这是由于桩承受后方坡体推力，浅处桩侧挤压前方接触面，与后方接触面分离，抗滑桩挠曲变形及深处坡体沿滑移面移动造成接触面的挤压形成接触应力峰值。

（3）抗滑桩端部存在一般的应力集中现象。

3 监测结果评估

本边坡段一共有5个棱镜观测点布设于抗滑桩顶，分别为测点6、7、8、9、10，从2019-07-04观察至2020-09-22，观测结果曲线如图5所示。

本段边坡抗滑桩顶部监测点在2020-07-03位移值出现了稳定性抬升，其中测点6和测点7的合位移值稳定在了15 mm以上，并于2020年7月底由养护巡视人员发现这两个测点的下方坡脚处发生了局部滑塌。

而从图2可知有限元模型失稳状态下的抗滑桩顶合位移为13 mm，模型失稳桩顶位移值与实测桩顶位移值较为接近，模拟较为成功。

由以上结果得出如下结论：

（1）边坡监测借助有限元强度折减法进行监测点布置及预警值设置是可靠的。

（2）针对设有抗滑桩的边坡监测，地表位移监测点宜设置于抗滑桩顶、坡顶平台以及距坡脚较较近的坡面处。

（3）深部位移监测点宜垂直埋设于抗滑桩之间。

（4）土压力盒宜布设于抗滑桩前后两侧。

（5）监测点位置不同，其相应失稳预警值也不同。

（6）监测点宜布设于变形较为敏感位置。

4 结语

抗滑桩在边坡治理中的应用提高了边坡体的稳定性，而边坡监测更是预防边坡失稳的重要手段。本文结合有限元软件ABAQUS对抗滑桩边坡进行强度折减模拟，得到了抗滑桩边坡失稳形态，也为此类边坡的监测工作提出如下几点建议：

（1）对设有抗滑桩的边坡，监测点宜设于抗滑桩顶、坡顶平台及距坡脚较近的坡面位置。

（2）深部位移监测宜布设于抗滑桩之间。

（3）土压力盒宜布设于抗滑桩前后两侧。

（4）不同位置处的地表监测点应按不同界限值进行监测预警。

（5）监测预警值宜小于边坡失稳界限值。

边坡稳定性监测是具有不确定性的，只有对边坡进行准确合理的应力应变监测才能最大限度地掌握边坡变形趋势，进而才能及时预警，降低生命财產损失。

参考文献：

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