童艷光，蔡增蛟，張 堃，梁松鴻，劉文召，黎森宇

（1、廣州環(huán)投花城環(huán)保能源有限公司 廣州 510830；2、中國建筑一局（集團）有限公司 北京 100161；3、廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院 廣州 510006）

0 引言

隨著時代的高速發(fā)展，城市的不斷擴張，交通道路設施的建設不斷從平地向地形復雜的山林地區(qū)修建，形成大量的高填方邊坡［1～3］。但高填方工程設計和施工要求相對嚴格，時有發(fā)生的高填方邊坡滑坡災害，使得高填方邊坡研究顯得很有必要［4］。關于高填方邊坡穩(wěn)定性問題，諸多學者做了大量的研究，如徐坤等人［5］采用多種極限平衡法對涉及填料的物理力學特性、填筑過程等復雜因素的高填方邊坡進行穩(wěn)定性分析；楊大志等人［6］用有限元分析土工格室加筋在高填方邊坡的應用；侯俊偉等人［7］用有限元和大型直剪試驗研究分析高填方邊坡變形失穩(wěn)機制；葉帥華等人［8］針對黃土高填方邊坡運用有限元探究其影響因素及變形規(guī)律。然而如今關于高填方邊坡穩(wěn)定性的研究很少會側重對于土石混合料加筋土、抗滑樁錨索作用以及土石混合料浸水飽和的研究。因為若由于地形復雜和地質條件的限制，會使得許多高填方邊坡無法進行自然放坡［9］，此時土石混合料加筋土邊坡可以發(fā)揮其因地制宜、減少放坡率、提高邊坡整體穩(wěn)定性優(yōu)等點［10］，滿足在復雜地形地質下的工程要求；若高邊坡下方土體性質較好，在抗滑樁處設置錨索也能對高填方邊坡穩(wěn)定性起到一定作用［11］；若在降雨工況下，浸水使土石混合料飽和會使土體強度降低，從而使邊坡穩(wěn)定性下降［12］。因此，研究土石混合料間的土工格柵、抗滑樁的錨索和浸水飽和的土石混合料對高填方邊坡穩(wěn)定性的影響也是一個值得關注的方向。

本文以廣州市某熱力電廠工程為項目依托，通過有限元數值模擬，研究分析在此工程中，土工格柵、抗滑樁的錨索與土石混合料浸水飽和狀態(tài)下對土石混合料高填方邊坡穩(wěn)定性的影響。文中采用專業(yè)巖土工程有限元軟件Midas GTS，對工程中的邊坡進行數值模擬［13］，通過工程資料確定邊坡有限元模型的計算參數，通過控制變量的方法去探究土工格柵、抗滑樁的錨索以及土石混合料在浸水飽和狀態(tài)下的對邊坡穩(wěn)定性的影響，為以后相關地質條件開展的邊坡工程提供參考。

1 工程概況

廣州市某熱力電廠土石混合料高填方邊坡工程位于廣州市花都區(qū)，距S114 省道直線距離約2 km，在一期工程的南側和北側進行擴建，具體位置如圖1 所示。高填方邊坡場地內廣泛分布人工填土、粉質黏土、強風化砂巖和泥巖，巖石完整程度大多為極破碎，總體而言，場地內巖土性能情況較為惡劣，本文模型的建立選取高填方邊坡P17-P17 剖面一處，具體邊坡剖面及土層分布如圖2所示，其中高架橋為未建部分。

圖1 土石混合料高填方邊坡工程具體位置Fig.1 Specific Location of Soil-rock Mixture High-filling Slope Engineering

圖2 邊坡剖面及其土層分布Fig.2 Slope Profile and Soil Layer Distribution （mm）

2 三維有限元計算模型

2.1 模型建立

為了模擬真實的邊坡狀態(tài)，分析其穩(wěn)定性，根據工程實際，建立了如圖3所示的整體三維有限元模型，模型大小取109 m×60 m×52 m（長×寬×高），邊坡坡度為1∶1，充足考慮了邊界效應所帶來的影響因此在邊坡的右側延伸了一定的距離。錨索如工程實際設置在抗滑樁后且嵌入強風化粉砂質泥巖層，如圖4所示；土工格柵在土石混合料之間分層設置。模型的邊界條件：底部為固定約束邊界，模型四周施加法向約束，其余為自由邊界。

圖3 Midas GTS有限元模型Fig.3 Finite Element Model of Midas GTS

圖4 錨索在模型中的布置Fig.4 Layout of Anchor Cable in the Model

有限元數值模擬計算中，錨索的模擬采用1D 單元植入式桁架去模擬；土工格柵的模擬采用2D 單元土工格柵（2D）去模擬；巖土體采用3D 單元實體去模擬。錨索、抗滑樁及土工格柵等均采用線彈性本構模型，巖土體采用彈塑性莫爾-庫倫本構模型。土工格柵在工作狀態(tài)下應力應變關系位于彈性范圍內，根據土工格柵的拉伸試驗結果［14］，可確定其計算參數。其中，土石混合料的抗剪強度指標由現場大型直剪試驗確定［15］，其試驗結果如圖5 所示，根據抗剪強度包線，可得土石混合料在天然狀態(tài)下以及浸水飽和狀態(tài)下的強度參數，其余巖土體強度參數取值均參照項目工程所提供的勘探報告。具體有限元模型中各種材料物理力學參數如表1所示。

表1 有限元模型各材料物理力學參數Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Materials in the Finite Element Model

圖5 現場大型直剪試驗土石混合料抗剪強度包線［15］Fig.5 Shear Strength Envelope of Soil-rock Mixture in Large-scale Direct Shear Test on Site

2.2 有限元強度折減法

邊坡穩(wěn)定性是指抗滑力與滑動力的兩者之比［16］。Midas GTS 的邊坡穩(wěn)定分析采用了基于有限單元法的強度折減法［17］。有限元強度折減法（SRM）用于計算邊坡在事故點或失穩(wěn)點的安全系數，其原理是：在外荷載保持不變的情況下，不斷對邊坡抗剪強度參數c，φ進行折減，使強度不斷調整，直到系統(tǒng)達到不穩(wěn)定狀態(tài)時，有限元計算將不收斂，即邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，此時折減系數Fs即邊坡安全系數［18］。強度折減法僅用于安全系數大于1 的邊坡，但是其不需要作假定，分析環(huán)境更理想，誤差較?。?9］。安全系數計算具體公式如下：

式中：Fs為強度折減系數；c′為折減之后的粘聚力；φ′為折減之后的內摩擦角；τ′為折減之后的抗剪強度。

2.3 有限元模型的變量

為研究分析在此邊坡中，土工格柵、抗滑樁的錨索和土石混合料在浸水飽和狀態(tài)下對土石混合料高填方邊坡穩(wěn)定性的影響。本次有限元模擬設置了3個變量：①天然狀態(tài)下還是浸水飽和狀態(tài)下的土石混合料；②有無設置土工格柵；③有無設置抗滑樁的錨索。為探究三者的關系，分別模擬了5種工況，其具體工況設置如表2所示。

表2 不同工況下對應設置的條件Tab.2 Corresponding Setting Conditions under Different Working Conditions

3 數值模擬結果與分析

3.1 不同工況條件下邊坡的穩(wěn)定系數

對5個不同工況下的高填方邊坡進行數值模擬計算，得到最終安全系數Fs分別為1.57、1.44、1.50、1.43、1.23。

其中在天然土石混合料狀態(tài)下，即工況1～4 中，這4 種工況下他們的變量是②有無設置土工格柵③有無設置抗滑樁的錨索，且他們的滑裂面發(fā)生的位置相近，形狀類似，以工況1為例，如圖6?所示。

在土石混合料浸水飽和狀態(tài)下，即工況5，其滑裂面與其他4 種工況截然不同，如圖6?所示。

圖6 土石混合料天然狀態(tài)下有效塑性應變Fig.6 Effective Plastic Strain of Soil-rock Mixture under Natural Conditions

3.2 結果分析

對土石混合料的不同狀態(tài)進行分別討論。

3.2.1 天然狀態(tài)下土石混合料

從上述結果，可以看出天然狀態(tài)下土石混合料的4種工況安全系數都處在穩(wěn)定狀態(tài)下（Fs≥1.30），且其滑裂面會發(fā)生在土石混合料的下方與右側，除了土石混合料的右下部有一小部分會形成外，滑裂面其余大部分發(fā)生在土質較軟的素填土和粉質黏土處，且其形狀顯得較長且較寬。同時由于有抗滑樁的阻擋作用，無論軟土部分還是土石混合料部分，抗滑樁的兩側土體均發(fā)生了一定的塑性應變，不過這對于高填方邊坡的整體穩(wěn)定性不會有太大的影響。

此時，對比工況2 和工況4，其安全系數差別并不大，兩種工況所控制的唯一變量是有無土工格柵，有土工格柵的工況相比無土工格柵其安全系數僅提升了0.01，即提升了0.7%，這是由于滑裂面并沒有發(fā)生在土石混合料填方的邊坡，即土工格柵分層設置的地方，因此此時土工格柵的作用并沒有被太大地體現出來。

在土石混合料天然狀態(tài)條件下起到影響安全系數或邊坡穩(wěn)定性的，其實更多體現得到的是錨索和抗滑樁的作用，由圖4可以清晰看出，錨索所設置的位置會貫穿滑裂面的下側，對于抗滑樁的抗傾倒以及邊坡滑裂的發(fā)生起到一定的作用，對比工況3 和工況4，錨索的存在安全系數提升了0.07，即提升了4.9%，因此，錨索對此邊坡的穩(wěn)定性起到很大作用。

最后，對比工況1 和工況3，設置土工格柵可以使安全系數得到進一步提升，因此，在此高填方邊坡中，同時設置錨索以及土工格柵是一個正確的做法。

3.2.2 浸水飽和狀態(tài)下的土石混合料

從上述結果，可以看出浸水飽和狀態(tài)下的土石混合料工況下，即工況5，其安全系數僅為1.23，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)（1.05≤Fs≤1.30），其滑裂面發(fā)生在抗滑樁頂端的右側，跨越了整個土石混合料部分，且其形狀顯得較短且較狹窄，相比天然狀態(tài)土石混合料工況下的滑裂面有著明顯的區(qū)別。由于滑裂面大部分發(fā)生在抗滑樁的上側，因此抗滑樁的左右兩側并沒有發(fā)生明顯的塑性應變。

對比工況1 和工況5，土石混合料浸水飽和狀態(tài)下與天然狀態(tài)下相比，安全系數降低了0.34，即降低了21.7%。導致其安全系數有明顯的降低，是由于浸水飽和后，土石混合料的土體強度下降明顯，在工況5中，由于滑裂面發(fā)生的位置橫跨土石混合料部分，使得土工格柵的作用得以體現，再次印證了土工格柵的設置對于維持邊坡的穩(wěn)定有著重要的作用。

同時，從結果中可以推斷出，當降雨的發(fā)生，土石混合料不斷浸水飽和，其強度隨之不斷減少，會使得邊坡滑裂面不斷上移，且長度變短，寬度也變窄，安全系數不斷降低，影響高填方邊坡的穩(wěn)定性。在此過程中，根據滑裂面的移動，影響邊坡穩(wěn)定性的主導構件也將會從錨索逐漸轉至土工格柵中。

4 結論

廣州市某熱力電廠土石混合料高填方邊坡工程，其工程地質條件復雜，填方高度較大，對合理的邊坡支護體系選擇提出了較高要求，通過采用壓實的加筋土石混合料作為填筑料，聯合抗滑樁+錨索的支護體系，確保了高填方工程的順利實施和安全穩(wěn)定，得到的主要結論如下：

⑴當土石混合料處于天然狀態(tài)時，高填方邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定安全系數大于1.4，邊坡滑裂面出現在原狀土層內部且埋置深度和延展寬度較大。

⑵當土石混合料浸水飽和狀態(tài)時，高填方邊坡的穩(wěn)定安全系數降低至1.23，邊坡滑裂面出現在土石混合料與原狀土層的界面附近且埋置深度和延展寬度較小。

⑶土工格柵和錨索的設置均有利于提高填方邊坡的穩(wěn)定性。同時，為確保土石混合料填方邊坡的穩(wěn)定性具有足夠的安全儲備，需要做好土石混合料的排水防滲工作，避免土石混合料或其他土體浸水軟化，強度降低，誘發(fā)邊坡的失穩(wěn)破壞。