薛祖杰

（重慶市璧山區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 402760）

引言

由于大量高速公路修建需穿越山嶺地區(qū)，大量的路塹邊坡被修建。路塹開(kāi)挖后導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布，尤其當(dāng)巖層為順層條件時(shí)，由于巖層抗滑土體減少，導(dǎo)致邊坡整體抗滑力下降，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度不滿足自身重力所產(chǎn)生的下滑力，極易發(fā)生邊坡滑坡，從而引發(fā)相應(yīng)次生災(zāi)害，因此路塹邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題不可忽視。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于路塹邊坡問(wèn)題已有不少學(xué)者展開(kāi)了研究[1-3]，包括膨脹性土、濕陷性黃土、砂質(zhì)巖質(zhì)等各種土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，并取得了許多研究成果。

現(xiàn)階段對(duì)于邊坡穩(wěn)定性分析的專業(yè)分析軟件非常多，包括基于有限元的ANASYS、ABAQUS，基于離散法的PFC、基于有限差分法的FLAC等等，近十年在邊坡工程中得到較多應(yīng)用[4-5]。應(yīng)用較多的還有GEO-SLOPE軟件系列，從1977年投入市場(chǎng)之后，發(fā)展至今已成為整套巖土工程模擬計(jì)算軟件，其中包括基于極限平衡法的SLOPE/W在內(nèi)9個(gè)專業(yè)模塊。同樣還有在計(jì)算分析中最常見(jiàn)的基于強(qiáng)度折減法的Midas/GTS有限元分析軟件，其具有強(qiáng)大的線性、非線性分析能力，能夠很大程度上模擬絕大部分的巖土工程，且計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確、安全。

1 工程概況

高速公路路塹邊坡位于盆地丘陵、低山地區(qū)，高約15 m，是一個(gè)巖層外傾的順層邊坡，邊坡土層由兩層巖土體組成。主要以凝灰?guī)r組成，風(fēng)化程度較高，上層為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層，巖層風(fēng)化程度較高；其下為中風(fēng)化凝灰?guī)r，中風(fēng)化凝灰?guī)r巖體完整性較好。巖土參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

2 邊坡初始狀態(tài)穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1.1 極限平衡法

極限平衡法又稱垂直條分法，是根據(jù)邊坡上滑體或滑體分塊的力學(xué)平衡原理（即靜力平衡）來(lái)分析邊坡在各種狀態(tài)下的受力破壞情況。工程應(yīng)用中邊坡穩(wěn)定性分析及計(jì)算主要有瑞典法、Morgenstern-Price法、Janbu法、Bishop法、Spencer法等國(guó)家規(guī)范所推薦的。選取瑞典條分法來(lái)計(jì)算該邊坡初始狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)，見(jiàn)圖1。

圖1 條分法計(jì)算

瑞典條分法不考慮土條間相互作用力（即，Xi=Xi+1和Yi=Yi+1），瑞典條分法對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)計(jì)算：

2.1.2 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法是將土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在外荷載不變的前提下進(jìn)行不斷折減，使土體處于極限平衡時(shí)的折減系數(shù)即是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[6-7]。通過(guò)不斷調(diào)整巖土體的黏聚力c及內(nèi)cos摩 擦角 ，將巖土體的強(qiáng)度參數(shù)折減Ftrial倍后得到新的強(qiáng)度參數(shù) （Cnext及next）代入有限元中進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算得到邊坡失穩(wěn)時(shí)，相應(yīng)的折減系數(shù)Ftrial即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。強(qiáng)度折減法：

2.2 穩(wěn)定性系數(shù)Fs計(jì)算對(duì)比

2.2.1 極限平衡法

根據(jù)瑞典條分法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算時(shí)暫不考慮邊坡坡頂?shù)钠渌Y(jié)構(gòu)及荷載作用。圖2中給定邊坡滑裂面的圓心坐標(biāo)為（35.3，24.9），半徑為20.8 m。邊坡坡高H為10 m，邊坡的坡比為1n=11.5。并利用GEO-SLOPE軟件包中的SLOPE/W程序?qū)υ撨吰碌姆€(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，得到潛在滑動(dòng)面見(jiàn)圖3。

圖2 計(jì)算模型

圖3 邊坡潛在滑裂帶（m）

2.2.2 強(qiáng)度折減法

利用Midas/GTS軟件中邊坡穩(wěn)定性分析模塊（SRM）對(duì)該邊坡進(jìn)行模擬分析，計(jì)算模型見(jiàn)圖4，計(jì)算得到初始狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布，見(jiàn)圖5。

2.2.3 結(jié)果對(duì)比

分析初始狀態(tài)下邊坡的塑性區(qū)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，該邊坡在初始狀態(tài)下的塑性區(qū)主要分布在強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層，分布面積較大，其最大塑性應(yīng)變?yōu)?.42×10-1，位于邊坡坡腳處。由圖5可看出該潛在的表層滑動(dòng)帶呈圓弧狀，與由極限平衡法計(jì)算得到的邊坡潛在滑裂帶分布基本一致，可知初始狀態(tài)下該邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，失穩(wěn)破壞形式為平面剪切滑動(dòng)。計(jì)算得到邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 初始狀態(tài)下邊坡網(wǎng)格模型

圖5 初始狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布

表2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

對(duì)比兩種方法計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs，發(fā)現(xiàn)基于強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，相比極限平衡法的計(jì)算結(jié)果偏大。結(jié)果存在差異主要是由于數(shù)值模擬中橫向約束作用均增大了坡體的抗滑力，同時(shí)計(jì)算過(guò)程中其邊界條件產(chǎn)生的端部效應(yīng)。因此瑞典條分法計(jì)算結(jié)果偏于安全，相比之下基于強(qiáng)度折減法的有限元模型計(jì)算更符合邊坡穩(wěn)定性實(shí)際情況。

3 邊坡支護(hù)分析

3.1 格構(gòu)錨固支護(hù)

格構(gòu)錨固支護(hù)是一種新興的輕型復(fù)合加固措施，其中包括縱橫交錯(cuò)的縱梁和橫梁對(duì)坡面進(jìn)行表層防護(hù)，再借助高強(qiáng)度錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)土層進(jìn)行深層加固。格構(gòu)錨固加固措施可以充分發(fā)揮基巖的強(qiáng)度，使得潛在滑動(dòng)體和基巖形成一個(gè)整體受力基體。使用格構(gòu)梁可以增加錨桿加固影響范圍，提高邊坡巖土體的力學(xué)性能，控制邊坡變形，格構(gòu)錨固見(jiàn)圖6。其中錨桿長(zhǎng)度為6 m，坡腳設(shè)置4 m高的重力式擋土墻，支護(hù)參數(shù)及截面和接觸特性參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

表3 支護(hù)參數(shù)

圖6 格構(gòu)錨固

表4 截面和接觸特性參數(shù)

3.2 有限元模型

模型建立過(guò)程中錨桿采用的植入式桁架單元模擬，格構(gòu)梁采用梁?jiǎn)卧M。邊坡坡面為自由邊界，下部邊界為固定約束，左右兩側(cè)為橫向約束。網(wǎng)格劃分采取線性梯度與等分形式相結(jié)合方式，基于Midas/GTS軟件建立網(wǎng)格模型見(jiàn)圖7。

圖7 邊坡支護(hù)網(wǎng)格模型

3.3 支護(hù)結(jié)果分析

計(jì)算得到格構(gòu)錨固支護(hù)下邊坡的塑性區(qū)分布見(jiàn)圖8。

圖8 支護(hù)后邊坡塑性區(qū)分布

由圖8可以看出，相比對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)前的初始狀態(tài)下，由于格構(gòu)梁與錨桿的支護(hù)作用，塑性區(qū)分布面積有所減小，分布在強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r層。邊坡最大塑性應(yīng)變值變?yōu)?.44×10-3，位于擋土墻腳處。相比初始狀態(tài)的1.42×10-1邊坡最大塑性應(yīng)變值大大減小。此時(shí)該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.46，穩(wěn)定性系數(shù)相比初始狀態(tài)提高了35%?？梢?jiàn)格構(gòu)錨固復(fù)合加固形式對(duì)土體的支護(hù)效果更有效，相比僅噴射混凝土等支護(hù)措施支護(hù)性能更強(qiáng)。分析認(rèn)為結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力錨桿能夠起到很好的抗滑性能，承擔(dān)邊坡的下滑力，而格構(gòu)梁則極大的增加了與坡體之間的接觸面積，有效的將預(yù)應(yīng)力經(jīng)過(guò)格構(gòu)梁分散在邊坡上，使坡體受力更加均勻，增強(qiáng)整個(gè)錨固體的剛度，所需的基底壓力更小，更加高效可靠的發(fā)揮支護(hù)作用。由此可見(jiàn)該格構(gòu)錨固支護(hù)方案大大提高了該邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于極限平衡法的瑞典條分法計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs均小于基于強(qiáng)度折減法的有限元Midas/ GTS軟件計(jì)算結(jié)果；瑞典條分法計(jì)算結(jié)果偏于安全，基于強(qiáng)度折減法的有限元模型計(jì)算更符合邊坡穩(wěn)定性實(shí)際情況。（2）格構(gòu)錨固支護(hù)前后，邊坡整體塑性區(qū)分布面積及最大塑性應(yīng)變值都有所減小，最大塑性應(yīng)變值由初始狀態(tài)的1.42×10-1減小至3.44×10-3，位于邊坡坡腳處附近。（3）初始狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；格構(gòu)錨固支護(hù)方案下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.46，邊坡穩(wěn)定性大大提升。