贵阳红黏土边坡数值模拟分析及防护技术研究*

王磊，陈开圣，张颖，蒋洪，蒋浩

(1.贵州大学 土木工程学院， 贵州 贵阳 550025；2.中国建筑第四工程局有限公司 工程技术研究院（技术中心）， 广东 广州 510665)

0 引言

我国红黏土主要分布于南方，如广西、贵州、云南、广东及湖南等省份，由于红黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性质，而且南方地区雨水多，降雨诱发、干湿循环等复杂气候环境导致红黏土边坡产生病害[1]。一些红黏土边坡按照规范设计却在早期运营阶段甚至是施工阶段出现了破坏，工程技术人员对此尚不能给出很好的解释[2]。红黏土边坡的破坏与一般的土质边坡有很大差别，表现在其破坏多从坡脚开始，呈“一窝一窝”的坍塌，其滑动面类似于“儿”字的左撇，不是典型的圆弧滑动，滑动剪切出口很少进入路基，导致路基拱起或推移等；而且通过调查，发现红黏土边坡破坏主要为冲沟、风化剥落、坍塌、溜塌及整体失稳破坏，但大部分属浅层滑动[3−5]。其破坏模式与特征复杂，采用圆弧条分法计算边坡稳定性系数与实际不符。

迈达斯GTS NX是一套针对岩土和桥隧专业的岩土数值模拟软件[6]，可以采用3D/2D模式，能够分析多种问题，适应不同用户的需求，用户能便捷建立复杂的网格模型，模拟不同工况下边坡的稳定情况，得出不同工况下的安全系数[7]。边坡稳定分析就是通过计算分析边坡内部的剪切应力和剪切强度，计算边坡的稳定性[8]。Midas GTS NX中边坡稳定性分析采用强度折减法，其原理是将边坡岩土体的强度参数不断折减，直致边坡达到破坏，此时计算出边坡的滑动面和安全系数[9−10]。强度折减法在有限元数值模拟分析中不需要事先判别滑动面，方便快捷，因此被广泛应用在边坡计算分析中[11]。

在红黏土边坡的防护措施方面，公路、铁路等部门通过大量的工程实践，提出了挡土墙、抗滑桩等多种防护措施，针对同一个边坡不同的设计人员常会有多种方案，且技术、经济、环境效果差别较大。但对不同的防护方案的适用范围、效果分析、经济环境比较等方面的研究较少，而这又是工程技术人员的需要。因此，本文通过数值模拟不同防护措施下红黏土边坡安全系数，对比分析不同防护方案的优劣，推选出红黏土边坡适宜的防护措施。

1 红黏土与支护结构物理力学参数

根据室内土工试验和阅读文献资料，确定的红黏土基本物理力学参数见表1。根据资料显示，锚杆一般采用HRB335和HRB-400型号的钢筋，混凝土采用C30混凝土，本文挡土墙、抗滑桩和框架梁均采用C30混凝土材料，根据《钢结构设计标准》和《混凝土结构设计规范》，确定支护结构参数见表2。

表1 红黏土基本物理力学参数

表2 各种支护结构物理力学参数

2 红黏土边坡模拟分析

根据气象资料，贵阳市6月份日降雨量最大为54.3mm，最长降雨时间为12 h，即模拟边坡采用降雨量和降雨时间分别为54.3mm（暴雨级别）和12 h。在降雨状况下模拟不同防护形式的防护效果，对比分析各种支护方式的优劣。

拟定1级、2级红黏土边坡坡率分别为1:1.5，1:1，坡总高20m。根据郑颖人等关于有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用研究可知，当坡脚右端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到左端边界的距离为坡高的2.5倍，且上下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为理想准确[12]。将模型按理论在CAD中画出，利用Midas GTS NX导入DXF文件功能，自动生成边坡外围轮廓线，通过室内土工试验和查询规范选取合适的材料参数，设置边坡土体和各防护结构的材料和属性，对土层和各支护结构赋予设置好的材料属性并采用三角形+四边形单元划分网格；岩土体采用摩尔-库伦本构模型计算，支护结构采用弹性模型，边界条件固定前后左右和底部，并施加重力场和降雨边界，建立如图1所示的几何模型。

图1 2级边坡几何模型

2.1 无支护

《建筑边坡工程技术规范》规定永久性边坡一般工况下边坡安全系数须不小于1.35。模型模拟边坡为2级红黏土边坡，1级坡坡率1:1.5，2级坡坡率1:1，坡高20m，边坡设计参数见表1和表2。强度折减法模拟计算结果表明：无防护边坡安全系数为0.9，边坡不稳定。从图2可以看出，无防护边坡土体应力从上至下逐渐增加，符合地应力赋存规律；2级边坡剪应力等值线从坡体深处向临空面呈弧形延伸，容易发生剪切破坏，1级边坡在放坡到1:1.5坡率下，剪应力等值线曲线呈均匀层状，并未向临空面延伸，剪应力在坡脚未出现局部汇聚现象，说明放坡能有效减缓剪应力分布。从图2～图4可以看出，边坡在进行放坡后虽改变剪应力分布，但无防护条件下，边坡自身自重及雨水冲刷条件下使坡体产生较大位移变形，边坡最大位移为97mm，形成一个潜在滑动面，塑性贯通区从坡脚延伸至坡顶（见图4），边坡发生破坏。综上所述，放坡能够有效增强边坡稳定性，改善土体内部剪应力分布，减缓坡脚应力集中现象，但放坡局限性较大，对周边环境及边坡高度要求高，大多数工程中很难满足放坡要求。

图2 无防护剪应力云图

图3 无防护位移云图

2.2 挡土墙支护

根据《公路路基设计规范》，本次模拟挡土墙设置高度为6.5m，墙体用C30混凝土筑成，墙宽度为2m，埋深为1.5m，采用实体单元模型，参数见表2。

图4 无防护塑性区云图

挡土墙模拟计算后安全系数为1.2，边坡基本稳定，根据模拟结果显示，挡土墙的布设有效地抑制了坡脚处的位移，使坡体趋向稳定，模拟计算后安全系数为1.2，相对无防护下的安全系数0.9提高了33个百分点。从图5～图7可以看出，挡土墙有效地抵抗了边坡土压力，剪应力分布集中在挡土墙墙身处，对边坡向外滑出起到阻挡作用。且剪应力等值线在挡土墙处出现折断，没有形成向坡外剪出的圆弧状剪应力线。从图7塑性区可以看出，加设挡土墙后，边坡滑动面位置发生改变，呈弧形从坡中部延伸至挡土墙墙顶，与未防护下滑动面从坡顶延伸至坡脚相比，边坡稳定性提高，说明挡土墙对边坡整体稳定起到了一定效果。

图5 挡土墙位移云图

图6 挡土墙剪应力云图

图7 挡土墙塑性区云图

2.3 抗滑桩支护

根据《公路路基设计规范》，本次模拟采用高为8m，截面为1m×1m的抗滑桩防护，抗滑桩材料为C30混凝土，采用实体单元建模，其结构物理参数见表2，钢筋布置见图8。

图8 抗滑桩钢筋布置

抗滑桩支护模拟计算后安全系数为1.22，比无支护时增加0.32，边坡稳定性提高，边坡基本稳定。从图9和图10可以看出，抗滑桩的布设对边坡滑动起到很好的抑制作用，边坡位移大幅度减小，最大位移由无防护的97mm减小到61mm左右，剪应力集中在桩体中部，剪应力等值曲线在桩体处折断，说明桩体阻碍边坡土体下滑，且剪应力等值线在桩底部向坡里转折随后再向坡外转折，形成一个“泡状”凹槽，表明抗滑桩底部周围坡体剪应力增大，滑坡体的推力通过桩传递到滑动面以下的稳定岩层，整体上提高了边坡的稳定性，从图11亦可看出，边坡塑性贯通区面积明显减少，说明桩体抑制住了土体变形，有效防止边坡向下滑动。但防治效果是有限的，塑性贯通区随时间推移可能延伸至坡顶，依然存在滑塌隐患。

图9 抗滑桩位移云图

图10 抗滑桩剪应力云图

图11 抗滑桩塑性区

2.4 锚杆支护

根据《公路路基设计规范》，锚杆设直径为0.025m，施加200 kN预应力，锚杆间距为3m，植入深度1级坡为15m，2级坡为13m，自由段1级坡为9m，2级坡为8m，锚固段1级坡为6m，2级坡为5m，植入角度为15°，参数见表2。

锚杆支护模拟计算的边坡安全系数为1.13，边坡基本稳定，但相比于规范1.35的要求，尚不能满足，从图12～图14可看出，边坡最大位移明显减小，锚杆提高了土体抗剪能力，剪应力等值线在加固区无法形成连续曲线，且在锚杆顶端形成圆圈状，锚杆对土体起到一定加固作用，但效果并未达最佳，从图14可知，边坡塑性区相比无支护时有明显减少，且塑性区向坡体深处锚杆锚固段后偏移，说明锚杆加固使表层土与深层土黏合在一起，锚杆将下滑力传递至深层稳定土层中，增强抗剪抗下滑能力，但塑性区范围较大，有滑塌可能。而在锚杆端头出现塑性区集中现象，是因为锚杆预应力加固土体使周边土体出现变形，这种变形在坡面未防护下土体表层可能向临空面方向变形，对边坡稳定性而言存在安全隐患。

图12 锚杆位移云图

图13 锚杆剪应力云图

图14 锚杆塑性区云图

2.5 框架梁支护

根据《公路路基设计规范》，框架梁单元尺寸不小于3m×3m，框架梁采用植入式梁单元进行析取，框架梁截面为3m×3m，材料为C30混凝土，物理参数见表2。

从模型计算得出框架梁防护安全系数为1.15，边坡基本稳定，从图15可以看出，边坡最大位移从未防护时的97mm减小至63mm，框架梁抑制了边坡位移，从图16可以看出，剪应力等值曲线在坡体内并未形成连续弧线，且在坡脚出现折回，说明框架梁有效抵抗了坡内土体产生的剪应力，但因坡脚无支档结构，应力集中现象较明显，容易发生剪切破坏；由图17可知，在框架梁防护下，边坡塑性贯通区明显减少，且并未与坡顶贯通，塑性区沿框架梁向上扩展，框架梁下土体与框架梁脱离，框架梁变形，说明框架梁抑制土体变形，有效防止边坡向下滑动。由此可见，框架梁支护对坡体稳定性提高有一定的效果，但还不能满足规范要求。

图15 框架梁位移云图

图16 框架梁剪应力云图

图17 框架梁塑性区云图

3 结论

（1）强度折减法模拟计算结果表明，无防护边坡安全系数为0.9，最大位移为97mm，边坡不稳定；放坡虽能够有效增强边坡稳定性，改善土体内部剪应力分布，减缓坡脚应力集中现象，但放坡局限性较大，对周边环境及边坡高度要求高，大多数工程很难满足放坡要求。

（2）挡土墙、抗滑桩、锚杆和框架梁支护下模拟计算的安全系数分别为1.2、1.22、1.13、1.15，最大位移分别为61.8mm、61.3mm、61.9mm和63mm，即单一支护方式抗滑桩支护最优，其次是挡土墙和框架梁支护，最差是锚杆支护，但安全系数均不满足规范要求。

（3）对于2级红黏土防护仅仅采用单一支档结构并不能达到良好的效果，挡土墙、抗滑桩、锚杆和框架梁虽能加固边坡，提升边坡稳定性，增强边坡土体抗下滑能力，但单一的支护在边坡中很难全面保证边坡的安全性以及美观性。

（4）各防护条件下边坡最大位移较无防护时平均减小32mm。单一支护虽可以提高红黏土边坡稳定性，但安全系数均达不到规范要求，今后应考虑模拟研究复合支护方式下能否满足规范要求。