强震山区边坡支护结构参数影响研究

丁仁斐

（江西省水投建设集团有限公司，江西 南昌 330000）

1 前言

文中以山区某水库边坡为研究对象，采用Flac3d有限差分软件，分析不同支护结构参数对地震荷载作用下的边坡及支护结构稳定性的影响。

2 边坡工程概况

2.1 边坡工程概况

该边坡位于山区，具有“丘槽相间、丘圆槽缓”的地貌特征。地形起伏不大，地面高程450～502 m，相对高差15～50 m，自然横坡10°～45°，斜坡地带基岩部分裸露，覆土较薄，坡面上灌木丛生；沟槽覆土相对较厚。沿线民房分布，有道路相通，交通条件好。

边坡高35.38 m，坡顶宽11.73 m，底部宽42.12 m，边坡按设计开挖有高7 m的直立一级边坡，以及坡率为1∶1的二、三级边坡。边坡自上而下分布有4.50～5 m 厚的强风化泥岩和9.50～10 m厚的弱风化砂岩以及位于底部的砂岩层。

2.2 支护结构参数设置

文中研究中，一级边坡采用截面尺寸1 m×1.20 m，长15 m的抗滑桩进行支护，桩身采用C30 钢筋混凝土灌筑，γ=26 kN/m3，K=17.2 GPa，G=12.9 GPa。二、三级采用锚杆支护，垂直于墙面施作，横向间距1.1 m，锚杆纵向间距1.2 m，锚杆钻孔直径φ90 mm，施工倾角为4°，锚杆弹性模量3×106MPa，泊松比0.21。

2.3 地震波设计

研究采用Flac3d中的动力计算模式，将地震波输入到边坡模型，模拟边坡在地震作用下的稳定性变化及支护结构的稳定性。根据地震局提供的附近区域近年所记录的地震波数据，基于滤波梳理技术，设置峰值加速度小于0.40 g，地震时间为12 s，时步0.04 s。

3 数值模拟

3.1 模型建立与选择

将cad线文件导入犀牛软件进行实体建模，并采用六面体单元生成网格模型，最终将犀牛模型文件导入Flac3d软件生成计算模型。假设岩土体为均匀、各向同性连续性介质，有限元模型中，风化土、风化泥岩、砂岩均选用摩尔库伦本构关系，抗滑桩选用线弹性本构关系，滑面服从摩尔库伦屈服准则。

根据野外调查以及边坡设计图纸，确定边坡的几何特征，利用Ansys 软件根据cad 线文件进行实体建模，并采用四面体单元格进行网格划分，再将模型文件导入Flac3d 软件进行模拟。模型底面约束z 方向位移，侧面采用法向约束，模型总计234 571个计算单元，185 474个网格节点。

此次数值模拟分以下几个步骤进行：①导入边坡模型并进行自重计算。②边坡位移场速度场清零，并对边坡分三级进行开挖，分析边坡稳定性。③设置如前文所述的支护措施，并计算边坡位移及支护结构受力特征。④导入地震波，计算并分析地震作用下的边坡稳定性及相关表征参数。

3.2 地震荷载作用下的边坡稳定性分析

如图1-a所示，边坡地震前最大水平位移仅为1.50 mm，边坡水平位移得到有效约束，可以认为边坡处于稳定状态，如图1-b 所示，当边坡经过地震荷载作用后，最大水平位移位于边坡顶部，数值达到72 mm，已经超过边坡安全位移范围20 mm，且边坡出现如图中红色虚线所示的滑动面，故可以说明此时边坡将发生滑动，边坡在地震荷载作用下边坡处于欠稳定状态，抗滑桩及锚杆支护已失效，需要采取更加合理的措施以加固边坡。

图1 边坡地震前后水平位移云图

图2为地震前后锚杆应力云图。由图可知，锚杆应力呈现沿竖直向下方向逐渐增加的变化趋势，震前最大锚杆应力位于二级边坡坡顶处，数值约为1.22×107Pa。地震后锚杆应力呈现中间大两端小的规律，原因可能是因为墙后土体推力作用，导致锚杆中间应力集中。综合锚杆应力数值来看，应力大于锚杆极限承载力1×108Pa，可认为锚杆在地震工况下支护效果较差，实际工程中应采取更高强度的锚杆。

图2 地震前后锚杆应力云图

边坡在经历时间约为12 s 的地震荷载作用下采用强度折减法计算得到的稳定性系数变化曲线。不难看出，在施加地震荷载作用的前4 s 内，边坡安全系数下降最快，从1.90 下降至1.23，在第四秒后，边坡安全系数下降速率减小，到达第12 s时，边坡稳定性系数已降低至1.03，小于《建筑边坡工程技术规范》中要求的1.05。

3.3 地震作用下的锚杆参数影响研究

通过研究可以得出结论，一般的组合支护结构已无法约束边坡水平位移，尤其在强震山区，边坡宜采用强度更高，尺寸设计更加合理的支护结构。文中设计了不同锚杆长度对边坡稳定性影响规律的模拟方案，当锚杆长度为4m时，边坡安全系数仅为1.03，当锚杆长度从4 m 增加至10 m 时，边坡安全系数增加至1.41，此时边坡已处于稳定状态，当再次增加锚杆长度时，此时边坡稳定性系数缓慢增加，16 m的锚杆支护下，边坡稳定性系数达到最高值1.45。

如表1所示，边坡安全系数整体呈现随锚杆数量增加先快速增加后逐渐收敛的规律，当边坡无锚杆支撑时，边坡安全系数为1.04，当施加第一根锚杆时，边坡安全系数得到有效提高，数值达到1.22，增加了11.5%，当锚杆数量增加至5根时，边坡安全系数达到1.46，此后再增加锚杆数量，边坡安全系数基本收敛。

表1 锚杆数量与边坡安全系数对应关系表

综上所述，地震作用下的边坡安全系数受锚杆结构与设计参数（锚杆长度、锚杆数量）影响较大，在综合考虑施工成本以及边坡稳定的条件下，实际强震山区边坡宜采用长度为10 m，数量为5根的锚杆进行边坡加固。

3.4 地震作用下的抗滑桩参数对边坡稳定因影响分析

通过研究可以得出，在强震山区，边坡宜采用强度更高，尺寸设计更加合理的锚杆结构，然而在强震山区边坡宜采用何种抗滑桩依旧是边坡治理的核心问题。基于此，设计了不同抗滑桩尺寸对边坡稳定性影响规律的模拟方案。

边坡在抗滑桩尺寸为0.50 m×1 m的支护作用下，边坡安全系数为1.04，边坡最大位移为33 mm，最大有效塑形应变达2.01，此时边坡处于不稳定状态。将抗滑桩尺寸提升至1 m×1.50 m时，边坡安全系数提高至1.21，增加了16.3%，最大总位移减小18 mm，降低了45%，此时边坡已处于稳定状态，仍需进一步采取大截面抗滑桩。当采用2 m×2.50 m尺寸的抗滑桩进行支护时，边坡安全系数为1.32，边坡最大位移为降低至10 mm，最大有效塑形应变为0.55，此时边坡处于稳定状态。

4 结论

以某水库边坡为研究对象，采用有限元分析方法，从边坡位移以及支护结构的受力、位移等角度，分析地震荷载对边坡稳定性的影响。得到以下结论：

第一，边坡地震前最大水平位移为1.50 mm，边坡较稳定，经过地震荷载作用后，最大水平位移位于边坡顶部，数值达到72 mm，边坡将发生滑动，需要采取合理的加固措施。

第二，地震作用下的边坡安全系数受锚杆结构与设计参数（锚杆长度、锚杆数量）影响较大。边坡安全系数整体呈现随锚杆数量增加先快速增加后逐渐收敛的规律。

第三，当采用2 m×2.50 m尺寸的抗滑桩进行支护时，边坡安全系数为1.32，最大位移降低至10 mm，最大有效塑形应变为0.55，地震工况下的边坡处于稳定状态。