强震区高边坡稳定性及支护方案的数值模拟

段帅安 王江锋

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

0 引言

强震地区的边坡，地震烈度高，环境地质条件复杂，设计标准要求高，所以对于高地震烈度地区边坡的稳定性及其加固问题开展分析工作非常重要。杨朔明等［1］研究了岩土体参数内聚力、内摩擦角等对边坡稳定性的影响；王海峰等［2］通过BIM技术，研究了高边坡组合支护效果；陈浩等［3］研究不同条件时坡面荷载作用对边坡的稳定性及滑动趋势的影响;邓友生等［4］验证了有限元计算方法对于求解边坡稳定安全系数的有效性；陈晓利等［5］研究了道路开挖位置对边坡稳定性的影响。已有大量学者研究了边坡稳定［6-10］机理，这些工作为开展强震区边坡稳定性分析提供了很好的方法。本研究利用Midas GTX NX［11］模拟计算了不同地震荷载作用下高边坡的稳定性、支护方案的效果等，并对锚杆支护设计参数进行了优化。

1 工程概况

尼泊尔中部加德满都拟建一条用于连接加德满都和泰莱的高速公路，全线长73.5 km。拟建路线两侧高边坡数量多。本研究选取RK26+729段高速公路边坡剖面，探讨地震荷载对高边坡稳定性的影响。

研究区位于小喜马拉雅岩石序列中，主要由沉积岩和变质岩组成，风化破碎程度高，节理裂隙发育。据已有文献表明，该地区地震频繁，地震峰值加速度高达0.40 g［12］，且边坡高度较高，破坏后的危害较大。

2 计算模型的建立

2.1 计算模型

根据地质勘察报告，该边坡主要由3种岩土体构成，即碎石土覆盖层，全风化叶片状云母片岩，强风化叶片状云母片岩。岩石呈交错夹层分布。该边坡示意剖面图见图1。

图1 k26+729边坡示意剖面图

通过Midas GTX NX模拟软件，结合地质情况，建立数值模型，该模型的计算尺寸为长126.78 m，宽12 m，高98.4 m，岩土体为3D单元，本构模型采用摩尔—库伦强度准则。

模型边界条件为左、右边界约束水平位移，下部边界约束竖向位移，坡面和坡顶不添加约束条件，为自由边由边界。将网格划分为2 m一个单元，模型由17 731个结点和14 706个可变型单元组成，具体如图2所示。

图2 k26+729数值模拟模型图

2.2 计算参数

根据实际的地质勘察结果与室内土体试验获得岩土体力学参数，并参考同类型岩土体试验数据［13］，综合得到模拟仿真分析地震工况下不同土层参数如表1所示。

表1 岩土体参数表

3 地震对坡体状态的影响规律

本次计算选用拟静力法计算，取值如表2。

表2 水平地震系数取值表

表2计算输入数值取自规范［14］，施加在数值模型上的地震拟静力荷载依次为0、0.025 G、0.038 G、0.050 G、0.075 G、0.100 G。进而得到边坡安全系数和边坡最大水平位移值。如图3所示，位移最大区域分布在表层覆盖土中下部。对比可知随着地震荷载逐渐增大，安全系数逐渐降低，水平位移逐渐增大。虽然边坡整体水平位移值增大，但最大水平位移区域无明显变化，均位于表层覆盖土中下部，因此地震荷载对边坡最大。位移区域的位置无明显影响。通过模型计算，随着地震荷载从0增长到烈度9度对应的荷载，安全系数逐渐降低，并最终下降到1.00，处于极限状态。边坡最大水平位移值明显增加，从33.38 mm均匀增加到50.82 mm。

图3 地震荷载下边坡位移场变化特征

为了更加清晰地观察内部岩土体位移情况，取水平位移值大小为20 mm的内部等值面作为观测依据，如图4所示。

图4 地震荷载下内部位移等值面变化特征

在无地震荷载时，内部只有一个圆弧面，关联土体位移区较小，随着地震荷载逐渐增大，等值面圆弧长度变长，关联土体区域扩大，在7度地震荷载（2）条件下，产生两个等值圆弧面。随着地震荷载继续增大，两个圆弧面逐渐贯通，关联土体区域也进行合并，向边坡内部发展的趋势更加明显。在工程监测时应注意该区域的水平位移值。

4 优选边坡支护方案

该地区的地震峰值加速度达到0.4g，因此在边坡模拟过程中采用规范中的9度对应的地震荷载计算。

该边坡有两种预采用的支护方案。支护方案一：不挖除表层破碎的碎石土，采用削坡+锚杆+土钉的支护方案。支护方案二：挖除表层碎石土后采用削坡+锚杆的支护方案。

4.1 支护方案一

开挖方式为8 m设置一级马道，边坡共设八级马道，各边坡的坡比依次为1∶0.50、1∶0.50、1∶0.75、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.25。其中一级马道至七级马道均为岩质，采用锚杆支护，锚杆长20 m，倾角25°，间距为3 m，锚固段长度和自由段长度均为8 m，预应力设置200 kN。八级马道为土质，采用土钉支护，土钉长度12 m，倾角25°，间距4 m。

如图5所示，削坡后在无支护条件下，安全系数为1.138小于规范要求1.15。边坡存在两个潜在滑动面，一个位于边坡顶部至表层碎石土和全风化云母片岩的交界处，另一个位于坡顶至坡脚处，对比可知第一个滑动面的等效塑性应变程度更大，在图中显示出的颜色更深，集中体现在土岩交界处。

图5 无支护时等效塑性应变云图

采用支护方案一后安全系数为1.173，对比图4与图6，表层岩土体的应变集中现象得到缓解且整体性增强，虽然达到规范中的最低标准，但鉴于该边坡岩土体较为破碎，边坡高度较高，为确保安全，地震工况下安全系数应达到1.20，故支护方案一不合理。

图6 支护方案一的等效塑性应变云图

表3 边坡稳定性安全系数规范［14］标准

4.2 支护方案二

开挖方式为8 m设置一级马道，共设置七级马道，边坡坡比与支护方案一相同，但区别在于挖除了表层碎石土。边坡均布置锚杆，锚杆长20 m，倾角25°，间距为3 m，预应力设置200 kN。如图7所示，削坡在无支护时安全系数为1.199<1.20，处于不稳定状态。潜在滑动面由坡顶延伸至坡脚，云图显示坡角处出现应变集中现象。对比图4该方案有效解决了表层覆盖土应变较大的问题，减少了一个潜在危险滑动面，故该开挖方式更合理。采用方案二支护后安全系数大于1.2，如图8所示。监测结果也证实了模拟计算结果与实际情况较为吻合，所以方案二更为合理。

图7 无支护时等效塑性应变云图

图8 支护方案二的等效塑性应变云图

5 边坡支护方案设计参数的优化

5.1 试验一

固定锚杆长度20 m和锚杆间距3 m，改变锚杆倾角进行实验，结果如图9。曲线斜率逐渐降低，安全系数由1.231缓慢升高到1.244，当倾角超过25°之后，安全系数无明显增加，故25°为锚杆临界角度值，并将其确定为锚杆倾角最终值。

图9 锚杆倾角与安全系数的关系图

5.2 试验二

固定锚杆倾角25°，间距3 m，改变锚杆长度进行试验，结果如图10，可知随着锚杆长度由10 m增加到20 m，安全系数呈线性增加趋势，由1.225增加至1.243，平均长度每增加1 m，安全系数增加0.001 8，综合考量后，当锚杆长度为16 m时，既有安全存储空间，又能节约锚杆成本，为最适宜长度。

图10 锚杆长度与安全系数的关系图

综上所述，锚杆长度16 m，间距3 m，倾角25°可以确定为最优解。

6 结论

通过分析地质勘察资料，用Midas GTS NX建立三维边坡数值计算模型，基于地震荷载条件下进行数值模拟计算，结合计算结果，可以得出以下结论。

①随着地震烈度的提高和地震荷载的增加，边坡安全系数逐渐降低，边坡水平位移逐渐增大，边坡表层覆盖的岩土体位移最为明显，等值位移面逐渐扩大，相邻两个等值位移面逐渐贯通，位移区增大，容易形成更大的滑移区。

②在9度地震烈度对应的地震荷载作用条件下对两种支护方案进行模拟计算，支护方案一的安全系数为1.173，支护方案二的安全系数为1.243，较方案一提高了6%，且更节约成本，故方案二较为合理。

③变换锚杆倾角，锚杆长度模拟计算证明锚杆存在最优锚固角，锚杆长度与安全系数成正比，进而确定了锚杆设计参数最优解。