福建某路堑高边坡加固效果数值模拟探析

林燕紫

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

滑坡是在工程建设活动中比较常见的灾害之一，一旦发生，可能给社会带来不可预计的财产损失甚至危及相关人员生命安全，妨碍工程的顺利进行[1]。所以在施工过程中，需要对可能出现不稳定迹象的边坡进行处治，防止滑坡形成。混凝土框架和预应力锚索可以最大限度减少对土体的扰动，有效阻止边坡下滑变形，保证边坡达到目标安全系数，因此被广泛用于边坡的治理[2]。

近年来，众多专家与学者采用多种科学方法对边坡加固效果进行研究，取得了一系列研究成果。其中，数值模拟作为一种高效、方便的分析工具，被广泛应用在各种工程领域，可以通过建立与实际工况较一致的模型来分析抗滑治理措施的效果。赵越跃[3]以边坡为研究对象，采用PLAXIS 3D数值模拟为研究手段，分析植被根系形态、植物根系密度、植被生长位置三大因素对自然边坡稳定性的影响；马宁[4]针对贵州的高路堑边坡特点，应用有限元数值模拟计算在抗滑桩加固下的边坡稳定性系数，并且对结果进行分析和优化处理。胡其志[5]利用MIDAS/GTS 分析了微生物注浆边坡在不同降雨强度、不同降雨持时的稳定性。结果表明，微生物注浆对提高边坡稳定性具有明显的促进作用。汪洋[6]采用Abaqus 软件模拟分析分析格构梁锚杆联合支护边坡的可行性，证明格构梁锚杆联合支护能够有效抑制土坡内部的塑性应变区的扩大,减小滑坡体位移,显著提高边坡安全系数。为了研究框架+预应力锚索对高边坡的加固效果，依托福建某道路工程沿线存在的大量高边坡，建立有限元模型对加固效果进行分析，以期对后续该地区路堑高边坡的治理对策起一定的指导作用。

1 工程概况

福建省某在建道路工程共有5个标段的高边坡防护工程分别为①BK0+055～BK0+245段左侧，最大高度约为22.06 m；②BK0+430～BKO+600段左侧，最大高度约为10.50 m；③BK0+916.05段左侧，最大高度约为12.50 m；④BK0+650～BK0+900段右侧，最大高度为32.00 m；⑤BK1+035～BK1+145段右侧，最大高度约为31.33 m。

本文选取BK1+100断面右侧挖方高边坡为研究对象。该边坡分成三级，各级高度分别为10 m，10 m和11.33 m，第一、二级设计边坡坡率1∶0.6，第三级设计边坡坡率1∶1.25。边坡安全等级为二级，重要性系数γ=1.0。该断面剖面如图1所示。

图1 BK1+100断面右侧挖方高边坡断面剖面图

根据场地岩土工程勘察报告场地土层自上而下：

素填土，松散状态，厚度为0.5 m～3.5 m；

卵石，中密状态，厚度为0.8 m～3.6 m；

粉质粘土，可塑状态，厚度为0.5 m～9.9 m；

粉砂岩残积粘性土，可塑状态，厚度为3.2 m～22.2 m；

砂土状强风化粉砂岩，偏硬，厚度为4.2 m～18.2 m；

碎块状强风化粉砂岩，偏硬，厚度为3.9 m～30.81m。

2 设计方案

在针对该路堑高边坡进行支护设计以及具体实施过程中，必须与实际情况有效结合，并采取针对性措施，实现对整个工程质量的有效控制。该路堑高边坡采用从上至下分台阶开挖和支护施工，施工完成后共分为三级台阶。

2.1 一级、二级边坡支护设计

第一级、二级边坡高度均为10 m，坡率均为1∶0.6。此两段边坡均采用框架+预应力锚索进行支护。每个台阶以上边坡开挖后，修坡，施工相应台阶的锚索支护。锚索支护边坡自上而下开挖，分层开挖深度2.5 m，施工第一排锚杆(索)及框架梁。锚固体强度大于20 MPa并达到设计强度的80%后，锁定第一排预应力锚索。施工第二排锚杆(索)及框架梁，待锚索注浆后再施工仰斜排水管。依次类推，分层开挖分层施工预应力锚索、框架梁和仰斜排水管，然后张拉锁定。排水沟沟底应向排水方向倾斜大于0.3%。

2.2 三级边坡支护设计

第三级边坡高度为11.3 m，设计坡率为1∶1.125。该段边坡采用植草防护，应清除坡面浮石和松土，夯实坡面，坡面应进行修整，夯实，使坡面大致平整。放样划线，挖骨架沟槽，用M10砂浆砌筑浆砌片石骨架，完成骨架护坡施工后，配合景观设计，在骨架内铺草皮。铺种草皮后应经常洒水，使坡面经常保持湿润，直到草皮成活。草皮护坡要经常养护，大雨过后应检查护坡是否完整，如发现局部坍塌或裂纹，应及时采取补救措施，以防病害扩大。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型

应用Midas-GTS-NX对该路堑高边坡进行数值模拟，整个模型长95 m，高60 m；岩土体共分为5层，采用Mohr-Coulomb本构模型，土层的物理力学参数见表1；框架采用梁单元模型，锚索采用线弹性本构模型，植草防护等效为土工格栅；边坡在自然状态下仅受重力。边界条件:上部是自由边界,左右两侧为水平约束,底部固定。图2为边坡二维有限元模型。

图2 边坡二维有限元模型

表1 材料参数表

3.2 结果分析

3.2.1 边坡塑性区结果分析

边坡的塑性区分布是坡体应力重分布的结果，能够反映边坡是否发生失稳破坏现象。图3～图4分别为边坡的初始应力状态和施加支护后的塑性区分布云图。

如图3所示，在边坡进行支护前的初始状态，塑性区分布面积较大，主要集中在砂土状强风化粉砂岩处，基本贯穿整个边坡。其中一级边坡坡脚处塑性应变最大，为4.46×10-2是边坡最危险的滑动岩层的等效塑性区。此外，从图中可以看出边坡在初始应力状态下存在潜在的圆弧滑动带。图4为完成支护后的边坡塑性区分布云图，从图中可以看出，在完成支护后边坡塑性区面积有所减小，且不再呈现出圆弧滑动带。塑性区分布仅出现在一级边坡的坡脚处，且塑性区最大应变为9.4×10-3，仍处于一级边坡坡脚处。但总体来说，在完成支护后，塑性区应变最大值减少近80%，整体塑性区分布面积与应变大幅减小。说明支护结构发挥了很好的抗滑要求，坡体发生滑动的概率大大减小了。

图3 初始应力状态下边坡塑性区分布图

图4 支护后边坡塑性区分布图

3.2.2 边坡水平位移结果分析

如图5所示，为模型位移提取点位置。在极限平衡状态，边坡的最大水平位移与最大竖向位移决定着边坡是否发生失稳破坏。模型水平位移计算结果如图6～图8所示。两种状态下的边坡水平位移均呈现出“U”型槽变化，并且出现在粉砂岩残积粘性土中。在实施加固措施后，“U”型槽深度明显减小，且相应的水平位移值也大幅减小。从所有测点来看，相比于初始状态的较大波动。边坡加固后的水平位移值变化不大。

图5 边坡位移值提取位置

图6 无加固边坡水平位移云图

图7 加固后的边坡水平位移云图

图8 两种状态下边坡水平位移云图

从图7中可以看出，测点1～6之间加固后的边坡位移，相比于初始状态变化较大，且完成支护结构后边坡水平位移值基本保持一致，且数值较小。但对于测点7～10，加固后的边坡水平位移值相对于初始状态变化不大，且相对于测点1～6明显较大且出现波动。根据实际工程情况，测点1～6位于一、二级边坡，测点7～10位于三级边坡，说明框架+预应力锚索对减小边坡水平位移效果明显，而三级边坡采用的植草防护，对于减小边坡水平位移效果较差。

初始状态下边坡水平位移值最大为69.16 mm,位于一级边坡坡脚位置。施加支护后的边坡水平位移最大值为19.26 mm，减小了70%，出现在三级边坡的坡面处。说明一二级边坡采用的框架+预应力锚索加固效果良好，限制边坡水平位移效果良好。

3.2.3 边坡竖向位移结果分析

模型水平位移计算结果如图9～图11所示。两种状态下的边坡竖向位移在测点6～8均呈现出“U”型槽变化，“槽底”出现在测点7位置即粉砂岩残积粘性土的土层中，跟边坡水平位移变化呈现出相似变化，整体位移值在加固后均有明显减小。

图9 无加固边坡竖向位移云图

如图11所示，测点1～6初始状态下的竖向位移值相比水平位移值较小，且在支护完成后进一步减小接近0 mm，符合安全规范和设计要求。但对于测点6～10边坡竖向位移值出现了反“S”特征；在测点7、10位移值较大，说明三级边坡的植草防护效果欠佳，后续应加强这一区域监测防治边坡失稳。

图10 加固后的边坡竖向位移云图

图11 两种状态下边坡竖向位移云图

在施加支护后，边坡整体的竖向位移值和位移范围均发生明显减小。初始状态下边坡竖向位移最大值为67 mm，发生在三级边坡坡顶处；在施加支护后最大值为53.1 mm，也发生在三级边坡坡顶处。在完成支护后边坡竖向位移减小了近20%，说明支护措施对减小边坡位移起到了良好的作用。

4 结论

针对某路堑高边坡，基于MIDAS-GTS-NX有限元软件对边坡支护前后的塑性区，整体位移进行分析，得到以下结论：

(1)初始状态下，边坡塑性区分布面积较大，最大应变值为4.46×10-2，位于一级边坡坡脚位置；在完成支护后，最大值减小了近80%。说明在完成支护结构后使边坡发生剪切破坏的概率大大减小。

(2)在完成支护结构后，边坡的水平位移最大值减小了70%，竖向位移值减小了20%，支护结构有效抑制了边坡位移，提升了边坡的稳定性，基本满足20 mm的允许值要求。

(3)边坡的水平、竖向位移呈现出“U”型槽特征、出现测点6～10之间即三级边坡处，且位移值在支护前后均较大，说明植草支护效果不如框架+预应力锚索。在后续应加强三级边坡的监测，防治边坡发生失稳破坏。