某工程岩质边坡支护方案数值模拟分析

杨湧涛

(山西交投高速公路有限公司 太原市 030006)

0 引言

工程边坡的稳定性对边坡周边村庄安全、环境生态都有着重要影响。对边坡的治理主要有两种方案，一种是通过减小不稳定土体自重使边坡达到稳定状态的削坡法[1-2]；第二种就是利用相应的材料与技术对边坡进行加固的方案，如设置挡土墙[3-4]、锚杆支护法等[5-7]，现如今锚杆支护在边坡中的应用已十分常见。

以某工程岩质边坡为研究对象，基于Midas/GTS有限元软件研究了重力式挡墙法、全长粘结型锚杆支护法以及预应力锚杆支护法三种方案下的边坡稳定性，选择该工程边坡最优的支护方案。

1 工程概况

某工程岩质边坡，位于盆地丘陵、低山地区，山体植被发育，以松树、灌木及蕨类植物为主，坡脚不远紧邻村庄。边坡高约15m，坡率为1∶1，坡体主要以石英岩夹板岩构成，上层为强风化的石灰岩夹板岩、中部为中风化的石灰岩夹板岩，基层是弱风化的石灰岩夹板岩。边坡断面示意图如图1所示，具体岩体参数如表1所示。

2 边坡初始状态数值模拟结果

2.1 网格模型

利用Midas/GTS有限元软件中边坡稳定性分析模块(SRM)对边坡的初始状态稳定性进行数值分析，建立网格模型如图2所示。

图1 边坡初始状态断面示意图

表1 岩体参数表

图2 边坡初始状态网格模型

2.2 数值分析结果

(1)塑性区分布结果

输出边坡塑性区分布图结果如图3所示，由图可以看出边坡初始状态下存在潜在的呈圆弧状的表层滑动带，整体塑性区分布面积较大，最大塑性应变值为4.97×10-2，位于强风化石灰岩夹板岩层与中风化石灰岩夹板岩交界处。此时计算得到边坡的稳定性系数仅为1.08，存在失稳风险。

图3 边坡初始状态塑性区分布图

(2)水平位移分析结果

输出边坡水平位移结果如图4所示。由图可知该边坡初始状态下的水平位移最大值为42.02mm，且边坡整体发生的水平位移都较大。

图4 初始状态水平位移结果图

3 支护方案及结果分析

根据数值模拟结果可以看出该边坡存在失稳风险，对坡脚不远紧邻的村庄存在安全隐患，因此根据边坡情况制定了重力式挡墙法、全长粘结型锚杆支护法以及预应力锚杆支护法3种支护方案。3种方案支护参数如表2所示，其中混凝土强度等级为C25。

表2 支护参数表

3.1 支护方案

3.1.1方案一：重力式挡墙法

重力式挡墙法是指依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡土墙，可用块石、片石、混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土进行整体浇筑。本方案采用素喷C25混凝土护面+8m高重力式挡墙进行支挡，挡墙以C25混凝土整体浇筑。同时对墙顶土体以1∶1.25坡率放坡，重力式挡墙方案下边坡断面示意图如图5所示。

图5 重力式挡墙法下边坡断面示意图

3.1.2方案二：全长粘结型锚杆支护

全长粘结型锚杆支护是利用全长粘结性锚杆将潜在滑动体和稳定的基岩形成一个整体受力基体，对土层进行深层加固，提高边坡岩土体的力学性能，控制边坡变形[7]。此方案同样采用3级放坡，每级放坡坡率1∶1，并预留1.5m宽马道。坡面设置1.5×1.5m的C25混凝土格构梁，锚杆布置在框架梁节点位置。锚杆长度L为14m，横纵向间距均为1.5m，设计锚固角度为25°，全长粘结性锚杆支护边坡断面示意图如图6所示。

图6 全长粘结性锚杆支护边坡断面示意图

3.1.3方案三：预应力锚杆支护

预应力锚杆支护与普通锚杆支护的放坡参数一致，采用3级放坡，每级放坡坡率1∶1，并预留1.5m宽马道。坡面设置1.5×1.5m的C25混凝土格构梁，预应力锚杆布置在框架梁节点位置。预应力锚杆直径为28mm，全长14m，锚固段为7m，横纵向间距均为1.5m，设计锚固角度为25°，每孔设计施加350kN的预应力。预应力锚杆支护边坡断面示意图如图7所示。

图7 预应力锚杆支护边坡断面示意图

3.2 网格模型

模型建立过程中锚杆采用植入式桁架单元来模拟，格构梁采用梁单元来模拟，预应力锚杆施加350kN预应力。基于MIDAS/GTS软件建立网格模型如图8所示。

图8 支护方案边坡网格模型

3.3 结果分析

输出3种方案下边坡的塑性区分布云图如图9所示。

图9 支护方案下边坡塑性区分布图

分析图9(a)可以看到，重力式挡墙方式的边坡整体塑性区分布面积有所扩大，但整体塑性应变值有所减小，最大塑性应变值为6.70×10-3，由图9(b)、图9(c)可以看到锚杆支护方案下边坡的整体塑性区分布面积明显减小，且不再呈现为明显圆弧状滑动带，其中全长粘结型锚杆支护方案下边坡的最大塑性应变值为1.07×10-3，位于二级边坡坡脚处；预应力锚杆支护方案下边坡的最大塑性应变值为2.73×10-4，且不位于边坡坡面。由此可见锚杆的存在能够起到很好的抗滑性能，承担边坡的下滑力，边坡整体塑性区分布面积及塑性应变值都相应减小，其中预应力锚杆支护方案减小的最为明显。

输出3种方案下的边坡水平位移分布图如图10所示。

图10 支护方案下边坡水平位移图

汇总3种方案下的边坡最大水平位移值以及边坡稳定性系数，如图11所示。

图11 三种方案下边坡稳定性对比

由图11可以看出，初始状态下边坡的最大水平位移值为42.02mm，3种支护方案下的边坡最大水平位移值都有所减小，其中重力式挡墙方案下边坡最大水平位移值为25.40mm，相比初始状态减小了16.14mm；而全长粘结型锚杆、预应力锚杆支护方案下边坡最大水平位移值分别减小至10.72mm、2.56mm，预应力锚杆支护方案边坡最大水平位移值减小的最明显。再对比分析边坡的稳定性系数，由图11可以看到初始状态下边坡的稳定性系数仅为1.08，3种支护方案下的边坡稳定性系数也都有所提高，其中削坡方案下边坡的稳定性系数仅提高至1.16，全长粘结型锚杆、预应力锚杆支护方案边坡的稳定性系数分别为1.36、1.58，锚杆支护对边坡的整体稳定性的提高非常明显，且预应力锚杆施作不同于全长粘结型锚杆的被动受力，施加预应力下锚杆与坡面格构梁给边坡表层潜在滑动土体主动拉力，有效地减小了边坡整体位移，对边坡稳定性的提高最为显著。

4 结论

针对某工程岩质边坡，基于Midas/ GTS有限元软件对比了重力式挡墙法、全长粘结型锚杆支护法以及预应力锚杆法三种方案下相对初始状态的边坡稳定性。得到了以下主要结论：

(1)初始状态边坡存在潜在的呈圆弧状的表层滑动带，位于上层强风化石灰岩夹板岩层。整体塑性区分布面积较大，最大塑性应变值为4.97×10-2，位于强风化石灰岩夹板岩层与中风化石灰岩夹板岩交界处。三种支护方案下边坡最大塑性应变值分别减小为6.70×10-3、1.07×10-3、2.73×10-4，预应力锚杆支护方案对边坡整体塑性区分布面积及塑性应变值减小的最为明显。

(2)初始状态下边坡的最大水平位移值为42.02mm，初始稳定性系数为1.08；三种支护方案下边坡最大水平位移分别减小为25.40mm、10.72mm、2.56mm，稳定性系数分别增至1.16、1.36、1.58。结果表明预应力锚杆支护方案对边坡整体稳定性的提升最为明显，因此方案三为该边坡的最优支护方案。