沈玉葉

(新疆疆南水利勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844000)

1 概 述

隨著國內(nèi)基建工程不斷擴大，越來越多的邊坡需要進行治理，擋土墻因為取材方便在工程界應(yīng)用廣泛，對此學(xué)者們也進行了大量的研究。楊鵬程[1]結(jié)合高速公路某擋土墻工程，對擋土墻的施工原理和常見類型進行了闡述，并結(jié)合經(jīng)驗提出了防止路基崩解、垮塌和滑移的擋土墻施工方法。藍(lán)重桔[2]認(rèn)為邊坡的坡率和形式對擋土墻的設(shè)計有重要的影響，提出了結(jié)合邊坡類型的擋土墻設(shè)計方案，并對擋土墻方案進行了研究，研究結(jié)果表明結(jié)合邊坡類型設(shè)計的擋土墻方案滿足工程穩(wěn)定性要求的同時，還能夠節(jié)約工程造價。唐浩[3]提出了擋土墻+錨索的方案，并結(jié)合錨固點和錨固角度對邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，研究結(jié)果表明擋土墻的設(shè)置對于錨索的設(shè)置有影響。苗祥達等[4]對高寒地區(qū)的擋土墻組合結(jié)構(gòu)進行了受力分析，分析結(jié)果表明在高寒地區(qū)擋土墻能夠有效減小邊坡的水平位移和豎向位移。趙甜等[5]對擋土墻和抗滑樁的聯(lián)合加固措施進行了研究，研究結(jié)果表明擋土墻+抗滑樁的聯(lián)合加固方式能夠更好地起到支護邊坡的目的。謝凌凌[6]結(jié)合邊坡類型，選擇了合適的擋土墻進行加固，經(jīng)計算擋土墻的施加提高了坡體的穩(wěn)定性。范衛(wèi)琴等[7]利用數(shù)值模擬對擋土墻組合結(jié)構(gòu)的加固形式進行了研究，研究結(jié)果表明擋土墻的位置設(shè)置對于邊坡的穩(wěn)定性、巖土體的位移均有較大的影響。李志謀[8]認(rèn)為擋土墻的設(shè)計須結(jié)合滑坡的類型，才可進行位置的選取，并通過位移監(jiān)測對擋土墻的設(shè)計效果進行了評估。王磊等[9]利用數(shù)值模擬技術(shù)，對不同坡率條件下的擋土墻方案進行了研究，研究結(jié)果表明放坡越大，邊坡的穩(wěn)定性越差，從安全性角度出發(fā)，單一支護不及組合結(jié)構(gòu)支護形式。田應(yīng)[10]對樁錨組合結(jié)構(gòu)進行了研究，認(rèn)為樁錨結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)當(dāng)以邊坡情況為基礎(chǔ)，才能保證樁錨設(shè)計的安全性。李登峰等提出了考慮土拱效應(yīng)的樁錨組合結(jié)構(gòu)支護形式[11-14]。

以上研究多關(guān)注樁錨組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，沒有單獨對擋土墻的支護效果進行研究。為此，本文采用單一的擋土墻結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬對擋土墻的支護效果進行研究。

2 工程概況

某河道位于我國新疆地區(qū)，河堤因年久失修，影響河道沿岸居民安全，需對河堤進行治理；同時采用擋土墻進行邊坡治理加固。經(jīng)計算，邊坡穩(wěn)定性較好，暫不會發(fā)生滑移破壞。因此，設(shè)計人員采取就地取材建立擋土墻，對邊坡進行再加固。見圖1。

圖1 邊坡加固示意圖

經(jīng)地質(zhì)勘察，巖土體主要由基巖和素填土組成。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

數(shù)值模擬軟件MIDAS SOILWORKS能夠較好地模擬邊坡類型，因此選擇該軟件進行數(shù)值模擬分析。擋土墻選擇彈性模型，彈性模量為1.2×105，泊松比為0.2，容重為26.4 kN/m3；碎石土選擇莫爾庫侖模型，彈性模量為3.5×104，泊松比為0.3，容重為24.5 kN/m3，黏聚力為18 kPa，內(nèi)摩擦角為30°。

選擇自動網(wǎng)格對邊坡進行劃分，同時保證網(wǎng)格之間的耦合，見圖2。

圖2 邊坡模型的網(wǎng)格劃分

3.2 模擬的結(jié)果

3.2.1 位移分析

加固邊坡后的水平位移和總體位移見圖3和圖4。

圖4 加固邊坡后的總體位移(單位：m)

由水平位移(圖3)可知，邊坡的水平位移主要集中于擋土墻區(qū)域，最大的位移約為8 mm，占整個巖土體比例為11%，方向水平向右，因位移不超過20 mm，在工程允許的范圍內(nèi)，所以可認(rèn)為加固后邊坡的水平位移控制在合理范圍內(nèi)；另一方面，約有60%以上的巖土體位移不超過3 mm，基本上處于基巖區(qū)域。由此可知，基巖因為巖體性質(zhì)較好，穩(wěn)定性也較強，不會對邊坡的失穩(wěn)造成威脅。

圖3 加固邊坡后的水平位移(單位：m)

由總體位移(圖4)可知，邊坡的總體位移主要集中于擋土墻區(qū)域，最大的位移約為11 mm，占整個巖土體比例為12%，因位移不超過20 mm，在工程允許的范圍內(nèi)，所以可認(rèn)為加固后邊坡的總體位移控制在合理范圍內(nèi)；另一方面，約有62%以上的巖土體總體位移不超過4 mm，基本上處于基巖區(qū)域。由此可知，基巖因為巖體性質(zhì)較好，穩(wěn)定性也較強。

3.2.2 穩(wěn)定性分析

加固邊坡后的剪切應(yīng)力和塑性變化區(qū)分別見圖5和圖6。

圖5 加固邊坡后的剪應(yīng)力云圖

圖6 加固邊坡后的塑性區(qū)

由圖5可知，加固后邊坡的剪應(yīng)力區(qū)域主要集中于擋土墻下部，原因是擋土墻重度較大，在施工過程中會對下部巖土體造成一定程度的破壞。剪切應(yīng)力區(qū)域并沒有貫通，說明施加擋土墻以后，邊坡的滑動面不會貫通，邊坡不會滑動，說明擋土墻起到了阻滑的作用。

由圖6可知，加固邊坡后巖土體塑性區(qū)主要集中于坡腳和擋土墻下部區(qū)域，素填土區(qū)域約有20%巖土體發(fā)生塑性變形，同時整個巖土體塑性區(qū)域并沒有貫通，說明邊坡不會進一步滑動。

加固后邊坡的安全系數(shù)為1.62，安全系數(shù)超過1.4，從工程穩(wěn)定性的角度上分析，此安全系數(shù)是滿足工程要求的，說明擋土墻的施加能夠保證邊坡的穩(wěn)定，達到了工程的要求。

3.2.3 數(shù)值模擬總結(jié)

邊坡的水平位移和總體位移最大值均不超過20 mm，說明邊坡的水平位移和總體位移均控制在合理范圍內(nèi)；另一方面，邊坡的水平位移和總體位移主要集中于素填土區(qū)域，基巖區(qū)域幾乎不發(fā)生任何位移，說明邊坡的防治重點位于素填土區(qū)域。

邊坡的剪應(yīng)力主要集中于擋土墻下方，塑性區(qū)域主要集中于坡腳處和擋土墻下方，以上區(qū)域發(fā)生應(yīng)力或塑性區(qū)變化的主要原因為施加擋土墻后，導(dǎo)致其下部土體發(fā)生擾動。但是剪應(yīng)力區(qū)域和塑性區(qū)域并沒有貫通，說明邊坡不會發(fā)生滑動，一定程度上說明擋土墻起到了阻滑的作用。

邊坡的安全系數(shù)滿足工程要求，說明施加擋土墻達到了工程阻滑的目的。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合某河堤治理中實際邊坡工程，就地取材利用擋土墻進行邊坡加固，通過數(shù)值模擬軟件MIDAS SOILWORKS對加固后的邊坡進行數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下：

1) 水平位移和豎向位移主要發(fā)生于素填土區(qū)域，但數(shù)值均控制在合理范圍內(nèi)，說明加固后的邊坡水平位移和豎向位移是滿足要求的，如果需要做進一步的防治工作，素填土區(qū)域是加固的重點。

2) 加固后的邊坡剪應(yīng)力主要發(fā)生于擋土墻下方，但是剪應(yīng)力區(qū)域并沒有貫通，說明滑動面不會生成，邊坡不會發(fā)生進一步的滑動。

3) 邊坡的塑性區(qū)域主要集中于坡腳和擋土墻下方，原因是施加擋土墻后會對以上區(qū)域造成擾動，導(dǎo)致塑性區(qū)域的產(chǎn)生，塑性區(qū)域并沒有貫通，說明邊坡沒有發(fā)生進一步滑動的隱患。

4) 邊坡的安全系數(shù)為1.62，結(jié)合數(shù)值模擬水平位移、總體位移、剪應(yīng)力云圖和塑性區(qū)域云圖可認(rèn)為，邊坡的穩(wěn)定性可以保證，擋土墻起到了阻止邊坡發(fā)生進一步滑動的目的。