黃云浩

（遼寧省石佛寺水庫管理局 遼寧 沈陽 110166）

1 前言

目前，水利工程建設中邊坡的安全問題日益突出，特別是含有復雜結構面的巖質邊坡的穩(wěn)定性問題，更是水利水電工程中的研究重點和難點，對于此類巖質邊坡常采用抗滑樁進行加固處理[1-3]?？够瑯毒哂惺┕し奖?、工程量少和投資小等優(yōu)點，是邊坡工程中常采用的加固措施之一，應用較為廣泛?？够瑯秾麦w的作用機理是利用抗滑樁插入滑動面以下的穩(wěn)定地層對樁的抗力來平衡滑坡體的推力，從而增加邊坡的整體穩(wěn)定性，滿足設計要求[4-8]。

本文基于專業(yè)巖土軟件Plaxis，采用軟件中自帶的板單元模擬抗滑樁，對含有軟弱夾層的某巖質邊坡進行抗滑樁加固數值模擬分析計算，計算考慮了不加固和加固兩種工況，分別得到了不同工況下邊坡的穩(wěn)定安全系數、塑性區(qū)范圍和危險滑裂面，為邊坡工程的穩(wěn)定性分析評價提供可靠依據。

2 計算方法簡介

Plaxis軟件是采用有限元強度折減法分析計算邊坡的穩(wěn)定性問題，此法考慮了對邊坡所有巖體的強度進行折減，而實際巖質邊坡穩(wěn)定性問題主要受結構面控制，整體折減法計算結果并不準確。因此，本文基于有限元強度折減法基本理論，采用局部強度折減法，僅將坡體結構面巖體的抗剪強度除以一個折減系數Fs，以達到強度折減的目的，直到有限元計算不收斂為止，并結合塑性區(qū)是否貫通和是否發(fā)生較大位移進行分析判定，根據彈塑性有限元計算結果得到邊坡危險滑動面，此時的折減系數Fs即為邊坡的穩(wěn)定安全系數[9-11]。局部強度折減法相比于傳統(tǒng)整體強度折減法，只考慮對結構面強度參數的折減，更符合工程實際。邊坡巖體采用Mohr-Coulomb破壞準則，局部強度折減法計算公式為：

式中，c和φ為結構面的粘聚力和內摩擦角；c'和φ'為折減后的粘聚力和內摩擦角；Fs為強度折減系數。

3 有限元計算過程

東風水庫位于湖南省隆回縣西洋江鎮(zhèn)遠山村，距隆回縣城52km，距西洋江鎮(zhèn)12km，水庫總庫容788萬m3。庫區(qū)兩岸大部分為斜坡山地，河流階地不發(fā)育，庫岸主要為高陡巖質邊坡，坡角為30°～35°，巖性以Ⅲ類巖體為主。邊坡內部含有一條貫通的軟弱夾層，導致水庫邊坡穩(wěn)定性較差，需對其進行加固處理。

選取水庫典型斷面，通過CAD軟件建立含有軟弱夾層的巖質邊坡二維模型，導入Plaxis中，進行網格劃分。為提高計算精度，對軟弱結構面附近巖體進行網格加密處理。巖質邊坡CAD模型見圖1，巖體材料為Ⅲ類巖體，有限元網格及邊界條件如圖2所示。計算模型長100m，寬60m，邊坡坡高45m，坡角 34°。模型建好后，需對邊坡巖土參數進行選取，計算參數的選取將直接影響計算結果的精度。根據現場試驗和室內試驗數據，不斷修正巖土計算參數，得到邊坡巖體力學參數，如表1所示。

采用Plaxis軟件中自帶的板單元模擬抗滑樁，選用彈性材料模擬，主要參數包括軸向剛度EA和抗彎剛度EI，軸向剛度EA表示為抗滑樁單位寬度受力，單位kN/m，抗彎剛度EI表示單位寬度力乘長度的平方，單位kN·m2/m。根據EI對EA的比值，可以按下式自動計算出抗滑樁等效厚度d：

圖1 巖質邊坡加固模型

圖2 邊坡有限元網格模型及邊界條件

表1 邊坡巖體力學參數

圖3 坡腳點水平位移隨折減系數變化

圖4 不同工況下巖質邊坡破壞情況

圖5 不同工況邊坡塑性點和拉斷點

圖6 抗滑樁剪力分布,最大值4170kN

圖7 抗滑樁彎矩分布,最大值3080 kN·m

計算模型中抗滑樁長20m，軸向剛度EA為 2×106 kN/m，抗彎剛度 EI為8000kN·m2/m，換算可得抗滑樁等效厚度d為0.22m，泊松比取0.18?？够瑯杜c邊坡巖土體之間的相互作用采用軟件中的界面單元模擬。

4 巖質邊坡穩(wěn)定性計算結果分析

4.1 穩(wěn)定安全系數分析

安全系數的大小直接反映了邊坡整體穩(wěn)定性高低。本文采用局部強度折減法，不斷折減軟弱結構面抗剪強度參數，通過反復迭代試算，并監(jiān)測坡腳位置的水平位移變化情況，得到了坡腳點水平位移隨折減系數的變化情況，如圖3所示。分析圖3可知，邊坡不加固時，折減系數為1.25時位移發(fā)生突變，此時可認為邊坡開始滑裂破壞，得到邊坡自然條件下安全系數為1.25；而當邊坡采用抗滑樁加固后，折減系數為1.80時才發(fā)生位移突變，即加固后邊坡的安全系數為1.80。

為進一步分析巖質邊坡不加固和加固工況的破壞情況，圖4給出了兩種工況下邊坡的破壞情況，其中圖4（a）為巖質邊坡自然狀態(tài)下的危險滑裂面，可以看出巖質邊坡破壞時是沿著軟弱結構面發(fā)生剪切破壞，此時邊坡的穩(wěn)定安全系數僅為1.25，邊坡穩(wěn)定性差，存在滑坡的可能，需及時采取相應的加固措施。而圖4（b）為抗滑樁加固后的邊坡破壞圖，此時邊坡穩(wěn)定安全系數達1.80，說明抗滑樁加固后，邊坡整體穩(wěn)定性得到較大提升，抗滑樁加固效果比較明顯。

4.2 邊坡塑性點和拉斷點分析

邊坡的塑性區(qū)是否貫通常用于判定邊坡是否能保持自身穩(wěn)定，而拉斷點范圍則反映了巖土體受拉破壞的程度。利用Plaxis后處理工具導出了兩種工況邊坡的塑性點和拉斷破壞點分布范圍，如圖5所示，圖中紅色點和白色點分別代表塑性點和拉斷點。分析圖5(a)可知，不加固時，邊坡塑性區(qū)貫通軟弱夾層，且由于軟弱夾層內巖土體不具有抗拉強度，內部部分巖體將受拉并發(fā)生破壞，邊坡穩(wěn)定性較差，與上述穩(wěn)定安全系數分析吻合；分析圖5(b)可知，當邊坡采用抗滑樁加固后，抗滑樁將滑坡體和基巖連接成一個整體，邊坡軟弱結構面內塑性區(qū)范圍大大減少，僅存在少數塑性點分布在軟弱夾層內部，而拉斷破壞點將基本消失。分析結果表明，邊坡采用抗滑樁加固后，可有效的減少軟弱夾層內部巖體的塑性區(qū)和拉破壞點分布范圍。

4.3 抗滑樁剪力和彎矩分析

為進一步分析抗滑樁加固邊坡后樁體的受力情況，下圖6和圖7分別給出了巖質邊坡模型中抗滑樁樁體的剪力和彎矩分布范圍。分析可知，抗滑樁剪力最大為4170 kN，而彎矩最大值為3080 kN·m，均未超過抗滑樁的允許值，且最大值發(fā)生在抗滑樁中部偏下位置，恰好位于軟弱夾層帶與抗滑樁的交匯處，并出現局部應力集中現象。另外，根據剪力和彎矩分布范圍分析可知：抗滑樁有效長度約為樁體中部，僅占樁體總長的1/2左右，上部和下部樁體部位僅承受很小的剪力和彎矩，說明抗滑樁上部和下部未能充分利用。因此，在具體施工過程中，建議采用下沉埋樁和減小樁長的施工工藝，即樁體埋入巖土體一定深度范圍內，這樣既能夠保證邊坡的穩(wěn)定，又能減少樁長，節(jié)約加固成本。

以上計算結果與實際情況比較吻合，加固前邊坡受軟弱夾層影響，穩(wěn)定性較差，安全系數僅為1.25，加固后安全系數增至1.80，邊坡穩(wěn)定性得到提高。計算中抗滑樁的加固參數以及剪力彎矩大小，均滿足工程設計要求，未超過抗滑樁的允許值，說明本文采用Plaxis模擬抗滑樁加固巖質邊坡是可行的，計算結果較為合理。

5 結論

本文基于有限元巖土軟件Plaxis，采用局部強度折減法對某含有軟弱夾層的巖質邊坡進行了抗滑樁加固數值模擬計算，局部強度折減法僅考慮對結構面的強度參數進行折減，計算結果更加準確。

數值模擬計算結果表明：Plaxis中的板單元能較好地模擬抗滑樁對邊坡的加固作用，通過有限元強度折減法可以得到不同工況邊坡的穩(wěn)定安全系數；并根據邊坡的塑性點和拉破壞點分布情況能夠準確的反映邊坡的破壞機理和破壞模式，自動搜索得到邊坡危險滑裂面；結合抗滑樁剪力和彎矩分布情況，可以優(yōu)化抗滑樁的各項加固參數，節(jié)約成本，為類似邊坡工程的加固處理提供技術支持。陜西水利

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