董萬森

（山西交通控股集團 呂梁北高速公路管理有限公司，山西 呂梁 033100）

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，基礎設施建設有了巨大的提升?；A設施建設不可避免地會遇到各種各樣的高陡邊坡。高陡邊坡在長期的地質作用下可能會發(fā)生失穩(wěn)的情況，尤其是土質及強風化巖層邊坡在長時間的暴雨或者地震作用下極易發(fā)生垮塌、滑坡的危險，從而對坡腳處的基礎設施造成嚴重的經濟損失，甚至帶來巨大的安全隱患，因此往往需要對高陡邊坡進行支護設計[1]。高陡邊坡支護過程中一般需要對邊坡進行開挖等，這會改變邊坡的原始應力狀態(tài)。如何保證在高邊坡開挖過程中的安全性，并選擇經濟合理的支護方案，是巖土工程界重要的研究課題[2]。利用數(shù)值分析軟件能夠較好地模擬工程的實際情況，為工程的設計施工提供參考。

1 工程概況

某二元結構的高邊坡，高約22 m，該邊坡巖層傾角為7°～9°，是典型的外傾順向邊坡。上部為雜填土及粉質黏土，其中素填土平均厚度約為6 m，粉質黏土平均厚度為5 m。其下為強風化至中風化的炭質頁巖，強風化炭質頁巖厚度高達9.5 m。邊坡坡腳擬新建一條公路。巖土參數(shù)如表1所示。為了提出針對性的支護方案，筆者首先對該邊坡的天然狀態(tài)進行有限元分析。

表1 土層參數(shù)表

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元軟件簡介

目前用于邊坡工程有限元分析的軟件較多，常見的比如FLAC 3D，ANSYS，ADINA，MidasGTS NX等，都能進行邊坡的穩(wěn)定性分析。但在這些軟件中，Midas GTS NX是針對巖土工程開發(fā)的有限元軟件，該軟件主要分為前處理和后處理兩個部分，用戶界面簡潔易懂，具有強大的巖土材料模型庫，同時能夠進行快速的幾何建模和網(wǎng)格劃分，能夠模擬絕大部分的巖土體破壞模式，具有接近真實情況等諸多優(yōu)點[3]。因此本文將采用Midas GTS NX軟件來進行該工程的有限元分析。

2.2 原始邊坡有限元分析

該邊坡處于Ⅵ級地震區(qū)，因此本文暫不考慮地震對邊坡的影響，主要考慮了天然工況及暴雨工況對邊坡穩(wěn)定性的影響。由于缺乏巖土的滲流函數(shù)等必要的參數(shù)，因此本文不適合采用滲流固結分析。當遇到持續(xù)暴雨的時候，雨水不再滲入地下，將沿邊坡表面流動形成地表徑流，下部土體全是處于飽和狀態(tài)，因此在設置參數(shù)時使用土體的飽和重度來簡化模擬，達到模擬暴雨的目的。

邊界范圍的選取對有限元模型的建立及計算具有重要的影響。邊界范圍過大不僅會造成計算機資源的浪費，造成運算時間過長，同時對邊坡的精度并沒有實質性的提升作用。邊界范圍過小則會由于邊界的約束使邊坡的應力發(fā)生重分布，不能很好地還原邊坡的原始狀態(tài)。因此選取合理的邊界范圍是建立良好有限元模型的重要前提。本文采用的模型尺寸邊界如圖1所示。在此基礎上建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 建模尺寸示意圖

圖2 邊坡原始狀態(tài)有限元模型

通過模擬計算得出，該邊坡在天然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.137，暴雨狀態(tài)下的安全系數(shù)僅為1.041，安全系數(shù)減小了0.096，均處于欠穩(wěn)定、瀕臨破壞的狀態(tài)。

圖3 原始邊坡塑性區(qū)分析圖

通過圖3可以看出，邊坡已經在粉質黏土和強風化炭質頁巖之間形成了圓弧滑動面，并在坡腳處出現(xiàn)最大的塑性應變區(qū)，極易超過土體的抗剪強度，從而造成土體在坡腳處剪出，形成牽移式滑動破壞，因此亟需對該邊坡進行防護設計，避免對公路造成建設和運營期的危險。

2.3 支護方案選擇及其有限元模型

通過對原始邊坡的穩(wěn)定性及塑性區(qū)分布的分析，本文采用了兩種支護方案進行分析。由于該邊坡為牽移式滑動邊坡，因此方案一為在邊坡坡腳處設置抗滑樁，同時結合對邊坡頂部放緩坡并進行護面噴混凝土，同時削坡減載、減小邊坡的下滑力，從而達到穩(wěn)定邊坡的目的。方案二為放三級邊坡，并在邊坡內設置長錨桿，使錨桿與土體形成一個新的加固體系，提高土體的抗剪強度，達到整體加固邊坡的目的。但如果第三級放坡為8 m的話，則邊坡分級的位置正好在強風化炭質頁巖和粉質黏土的巖層分界面上，這樣容易造成上覆土體從邊坡分界面處滑動，造成剪切破壞，因此邊坡分級應避免在此類界面處[4-7]。兩種方案的具體設計參數(shù)如表2所示。

表2 邊坡支護設計參數(shù)表

2.4 有限元模型建模

在前面邊坡的天然狀態(tài)分析的基礎上建立了邊坡支護的錨桿方案和抗滑樁支護方案的有限元模型，分別如圖4和圖5所示。

圖4 錨桿方案支護設計有限元模型圖

圖5 抗滑樁方案支護設計有限元模型圖

為了更好地研究在支護過程中邊坡狀態(tài)的變化情況，采用Midas有限元軟件里的施工階段進行模擬，兩種方案下的施工過程如表3所示。

表3 兩種方案的施工步驟

2.5 不同支護方案下的邊坡分析及其優(yōu)化設計

通過對不同支護方案的施工步驟分析，得到了不同支護方案下的邊坡穩(wěn)定性變化過程。

2.5.1 錨桿支護方案

該邊坡在錨桿支護方案的實施過程中，其邊坡的穩(wěn)定性如圖6所示。

三是國法。中國古代社會十分重視法的作用，《左傳》中有記載，“仲尼曰：政寬則民慢，慢則糾之以猛；猛則民殘，殘則施之以寬。寬以濟猛，猛以濟寬，政是以和?！盵6]這就是說，君主在以社會道德引導百姓自覺遵守社會規(guī)范的同時，必須輔之以法律懲治，才能維護正常的社會秩序。

圖6 錨桿支護下的邊坡安全系數(shù)變化圖

從圖6可以看出，隨著錨桿支護方案的逐步實施，邊坡的安全系數(shù)逐步提升，從原始狀態(tài)的1.137逐步提升到2.084，其安全系數(shù)增大了83.3%，極大地提升了邊坡的穩(wěn)定性。從圖中可以看出，在進行開挖2施工步驟時，邊坡的安全系數(shù)有輕微的下降，這是因為開挖第二級邊坡時改變了邊坡的應力分布，降低了邊坡的抗滑阻力。但總體上還是處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文同時分析了持續(xù)暴雨狀態(tài)下錨桿支護方案下的邊坡穩(wěn)定性，邊坡的安全系數(shù)降低到了1.163，與天然工況下有錨桿支護的邊坡安全系數(shù)2.084相比，降低幅度達到44.2%。暴雨工況下邊坡的土體塑性區(qū)分布如圖7所示。

圖7 暴雨工況錨桿支護的邊坡塑性區(qū)分布圖

通過圖7可以看出，在持續(xù)暴雨條件下，邊坡形成了穿過強風化炭質頁巖的圓弧滑動帶。從該塑性區(qū)分布可以看出錨桿對邊坡的整體加固起到了極大的作用，尤其是第二三級邊坡的邊坡錨固段深入穩(wěn)定巖層中，對邊坡滑動起到了抗滑的作用。同時由于錨桿的支護作用，與錨固區(qū)的土體形成了一個整體性的加強區(qū)域，提高了該區(qū)域的整體抗剪強度，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。而第一級邊坡的錨桿則尚未穿過滑動帶，對提高邊坡的穩(wěn)定性起到的作用有限。因此，筆者認為可放緩第一級邊坡的坡率，達到減小工程造價的目的。也可以進一步加長錨桿的長度，使其穿越滑動帶，從而進一步提高邊坡的穩(wěn)定性。

但結合邊坡的安全系數(shù)和塑性區(qū)分布可以看出，無論是天然工況還是暴雨工況，邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，達到了加固邊坡的目的。

2.5.2 抗滑樁方案

該邊坡在抗滑樁支護方案的實施過程中，其邊坡的穩(wěn)定性如圖8所示。

圖8 抗滑樁支護下的邊坡安全系數(shù)變化圖

從圖8可以看出，隨著抗滑樁的施工，邊坡的安全系數(shù)由原來的1.152提高到了1.627，其安全系數(shù)增大了41.2%。較好地增加了邊坡的穩(wěn)定性。從圖中可以看出，在進行第二步開挖時，邊坡的安全系數(shù)有輕微的減小，同樣也是因為減小了邊坡抗滑段的土體重量，使得下滑段土體的下滑力與抗滑段土體的抗滑力比值增大，造成安全系數(shù)降低。因此在實際施工過程中，尤其是暴雨天氣狀態(tài)下，應注意在開挖過程中的邊坡監(jiān)測，避免帶來施工過程中的危險。而隨著邊坡抗滑樁背后的填土施工，抗滑樁對邊坡的滑動起到了重要的抵抗作用。邊坡的安全系數(shù)由1.209提高到了1.489，提升幅度高達23.2%。最終通過對邊坡進行噴射混凝土的防護施工，邊坡的安全系數(shù)提高到了1.627。究其原因，這是因為施工邊坡表面噴射混凝土之后，邊坡表面的抗剪強度得到了極大的提升，從而抑制了土體從邊坡表面發(fā)生剪切破壞。

同樣分析了施工完畢后天然工況與暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性。天然工況下，雖然抗滑樁支護下的邊坡安全系數(shù)為1.627，但在持續(xù)暴雨的極端情況下，邊坡的安全系數(shù)降低到了1.156，降低了28.9%。進一步分析暴雨工況下邊坡的土體塑性區(qū)分布如圖9所示。

圖9 暴雨工況抗滑樁支護的邊坡塑性區(qū)分布圖

從圖9可以看出，在持續(xù)暴雨條件下，邊坡形成了穿過粉質黏土的圓弧滑動帶，而在樁前形成了較大的土體塑性應力集中區(qū)，并在繞過樁底位置。同時，由于抗滑樁的設置，阻斷了邊坡原有的圓弧滑動帶，使得滑動帶向土體深處下移。證明了抗滑樁對土體的滑動起到了很大的阻擋作用。同樣地，雖然抗滑樁阻擋了邊坡形成貫通的塑性區(qū)，但樁前土應力較大，同時滑動帶繞過了樁底，在暴雨加地震的極端荷載下，有可能會產生徹底繞過樁底的更深的滑動帶，從而發(fā)生整體的傾倒破壞。因此，還應適當加長樁的嵌固深度，在工程經濟性和安全性之間取得一個較好的平衡。

2.5.3 兩種方案對比分析

通過對以上兩種方案的分析結果可以看出，兩種方案均能提高邊坡的穩(wěn)定性，都是合理的設計方案。但進一步分析可以看出，錨桿支護屬于主動加強的防護措施，能夠整體提升邊坡的抗剪強度，且具有施工速度快等優(yōu)點。而抗滑樁屬于被動支護方案，只有當土體發(fā)生位移并作用在抗滑樁上時，抗滑樁才能利用自身的抗剪抗彎能力來抵擋主動土壓力，從而達到穩(wěn)定邊坡的目的，但其自身的施工更容易得到保證。兩種設計方案各有優(yōu)點。針對具體工程應當主動支護措施與被動支護措施綜合考慮，充分分析邊坡的破壞機理，因地制宜，制定邊坡防護方案，達到提高邊坡穩(wěn)定性，同時有效控制工程造價的目的。

3 結論

通過分析不同支護方案下的邊坡穩(wěn)定性，得到了以下主要的結論：

a）分析了在未支護條件下，邊坡的安全系數(shù)和塑性區(qū)的分布情況，得到了邊坡是沿粉質黏土與強風化炭質頁巖的巖層分界面滑出的牽移式滑動破壞，為支護方案的選擇奠定了基礎。

b）錨桿支護下，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)由1.137提高到2.084，圓弧滑動帶下移至強風化炭質頁巖層。錨桿與錨固范圍內的土體形成了整體的加強體，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

c）抗滑樁支護下，邊坡的安全系數(shù)由1.152提高到了1.627，抗滑樁的被動防護措施阻斷了潛在滑動帶的貫通，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。