薛茂強(qiáng)

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 青島 266000）

該文主要對(duì)高邊坡失穩(wěn)條件、穩(wěn)定水平性進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)邊坡的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，從而為邊坡防護(hù)工作提供理論基礎(chǔ)。對(duì)高邊坡穩(wěn)定性的研究，可以為邊坡施工、防護(hù)工程開發(fā)與建設(shè)等提供支撐。目前，應(yīng)用較多的高邊坡穩(wěn)定性分析方法包括地質(zhì)分析法、有限元模擬法等，其中地質(zhì)分析法是以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，通過(guò)分析與計(jì)算，對(duì)邊坡進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，得出定性分析結(jié)果[1]。由于該方法也存在不足，無(wú)法在分析中將定量結(jié)果與定性結(jié)果進(jìn)行融合，因此該研究采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，在明確邊坡具有非均質(zhì)、非線性、非連續(xù)、時(shí)變和各向異性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮邊坡穩(wěn)定性受滲透率、河流沖刷、地面運(yùn)動(dòng)等多種因素的影響，深入分析邊坡巖石力學(xué)特性、幾何非線性和滲流場(chǎng)作用，進(jìn)而精確評(píng)價(jià)邊坡巖石力學(xué)特性[2]。為完成該項(xiàng)工作，從更多方面了解高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，該文將以江口縣沙子坳降坡道路工程建設(shè)項(xiàng)目高邊坡錨桿支護(hù)工程項(xiàng)目為例，將降雨入滲作為前提條件，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

該文研究的江口縣沙子坳降坡道路工程建設(shè)項(xiàng)目地勢(shì)起伏較大，沙子坳地區(qū)兩側(cè)地形陡峭，邊坡開挖高，起點(diǎn)接云瓦路、經(jīng)沙子坳、縣儲(chǔ)糧站，訖于黃家店，接凱德工業(yè)園區(qū)入口道路，道路全長(zhǎng)2484.498m（短鏈12.143m）路幅寬35m，雙向六車道。針對(duì)高邊坡加固工程，對(duì)邊坡的土體進(jìn)行取樣，經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的土體為黃土狀的粉土，邊坡最高位置為90m，傾斜的坡度60°，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的勘查報(bào)告，確定該地下水位于高邊坡腳下7m 處，為保證高邊坡的穩(wěn)定性，施工方采用錨桿進(jìn)行邊坡支護(hù)，根據(jù)工程實(shí)際情況，支護(hù)的錨桿使用HR335，直徑為32mm 的鋼筋，錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 高邊坡支護(hù)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)

了解高邊坡支護(hù)錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)后，明確錨桿的柱截面、框架梁截面均為300mm×300mm，當(dāng)對(duì)應(yīng)擋土墻厚度為150mm時(shí)，不同結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)位置的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 錨桿支護(hù)加固材料與土體參數(shù)

2 建立錨桿支護(hù)有限元模型

了解上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)中安裝PLAXIS3D 軟件，用建立的鉆孔定義土層，確定高邊坡土層中的相關(guān)信息以及水力學(xué)條件后，可以使用PLAXIS3D 軟件對(duì)土層參數(shù)進(jìn)行分配，分配時(shí)，建立一個(gè)土壤結(jié)構(gòu)模型（參照摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)）[3]。建模中，需要將表1、表2 中的參數(shù)錄入基礎(chǔ)模型中。

由于地下水一般都在坡腳深層，因此當(dāng)能確定水力條件時(shí)，根據(jù)工程勘察資料，在鉆孔中得到孔內(nèi)壓力[4]。確定土體參數(shù)以及水力條件后，需要在軟件中確定錨桿加固材料，框架錨桿由錨桿、橫梁、立柱和擋土板組成，因此采用點(diǎn)到點(diǎn)錨桿仿真自由段，用Embedded 仿真錨桿錯(cuò)位段，用比較連接的方法，將框架梁、柱和擋土板進(jìn)行集成[5]。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模擬圖與錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

在對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算前，使用PLAXIS3D 軟件劃分幾何模型的網(wǎng)格，如圖2 所示。

圖2 高邊坡幾何模型網(wǎng)格劃分

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將土體的滲透系數(shù)與飽和系數(shù)作為一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，用函數(shù)表示，如公式（1）所示。

式中：Kw為高邊坡土體的滲透系數(shù)；k為飽和土體滲透系數(shù)；a為飽和度；ua為基質(zhì)吸力；uw為基質(zhì)下滑作用力；pw為錨固段長(zhǎng)度；g為黏聚力；n為常數(shù)系數(shù)。

高邊坡土體的飽和系數(shù)計(jì)算如公式（2）所示。

式中：Se為高邊坡土體的飽和系數(shù)；S為任意飽和度；Sr為最大飽和度；α為穩(wěn)態(tài)孔壓。

安全系數(shù)計(jì)算如公式（3）所示。

式中：F為安全系數(shù)；i為阻力系數(shù)；W為拉力總和；Q為重力加速度。

通過(guò)公式（1）～公式（3），可以計(jì)算不同條件下錨桿支護(hù)高邊坡的土體滲透系數(shù)、土體飽和度和安全系數(shù)，判斷在不同條件下邊坡是否存在失穩(wěn)、滑坡等風(fēng)險(xiǎn)[6]，并建立錨桿支護(hù)有限元模型。

3 錨桿支護(hù)前后高邊坡穩(wěn)定性分析

結(jié)合錨桿支護(hù)有限元模型對(duì)錨桿支護(hù)前后的高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。為更準(zhǔn)確地分析高邊坡在降雨條件下錨桿支護(hù)邊坡的變形規(guī)律，利用PLAXIS3D 軟件中的安全分析功能，繪制降雨入滲條件下錨桿支護(hù)高邊坡偏應(yīng)變?cè)隽吭茍D，如圖3所示。

圖3 錨桿支護(hù)前后高邊坡偏應(yīng)變?cè)隽吭茍D

根據(jù)圖3 可以看出，高邊坡的滑移面從坡頂貫穿至坡底，呈現(xiàn)一條近似圓弧狀條帶結(jié)構(gòu)。在土體自身重力以及降雨帶來(lái)的滲流力作用下，邊坡上的土體經(jīng)過(guò)吸濕，土體顆粒間的黏結(jié)效應(yīng)變降低，黏結(jié)因子也隨之減少，最終形成塑性應(yīng)變[7]。高邊坡坡腳位置的云圖顏色較深，說(shuō)明坡腳位置的應(yīng)變程度更大[8]。與錨桿支護(hù)前相比，支護(hù)后云圖中偏應(yīng)變?cè)隽款伾鼫\且條帶結(jié)構(gòu)也更窄，影響范圍縮小。結(jié)合公式（3），確定在不同狀態(tài)下高邊坡的安全系數(shù)，并將其匯總，見表3。

表3 不同狀態(tài)下高邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表3 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，錨桿支護(hù)狀態(tài)下的高邊坡安全系數(shù)最高，而降雨?duì)顟B(tài)下未進(jìn)行支護(hù)的高邊坡安全系數(shù)僅為1.426。由此說(shuō)明，錨桿支護(hù)可以有效提高高邊坡的穩(wěn)定性。高邊坡位移與穩(wěn)定性有一定關(guān)聯(lián)，在降雨入滲過(guò)程中，隨著雨水的持續(xù)滲透，會(huì)導(dǎo)致土體軟化，使其剪切強(qiáng)度系數(shù)發(fā)生變化，從而引起邊坡形變的情況且形變會(huì)不斷累積。

4 不同降雨入滲條件對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響

4.1 降雨時(shí)間對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響

在完成對(duì)錨桿支護(hù)前后高邊坡穩(wěn)定性的分析后，對(duì)降雨時(shí)間、降雨強(qiáng)度等不同降雨入滲條件下，錨桿支護(hù)前后高邊坡穩(wěn)定性變化情況進(jìn)行分析。分別設(shè)置六組不同的降雨時(shí)間，觀察高邊坡在錨桿支護(hù)前后的安全系數(shù)變化情況，如圖4 所示。

圖4 不同降雨時(shí)間高邊坡在錨桿支護(hù)前后的安全系數(shù)變化情況示意圖

由圖4 可以看出，隨著降雨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，高邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)，降雨后1h，高邊坡的安全系數(shù)為1.59，降雨后3h，高邊坡的安全系數(shù)降至1.425。該現(xiàn)象說(shuō)明，降雨強(qiáng)度與土體滲透系數(shù)在相同的情況下，雨水會(huì)全部滲入土體中。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，高邊坡的安全系數(shù)會(huì)隨之降低，但安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求，所以高邊坡不會(huì)有滑坡危險(xiǎn)。此時(shí)采用錨桿支護(hù)，1h 時(shí)高邊坡的安全系數(shù)達(dá)到1.901，與加固前安全系數(shù)相比數(shù)明顯上升。該現(xiàn)象說(shuō)明進(jìn)行錨桿支護(hù)后，會(huì)很大程度地提高高邊坡的安全系數(shù)，降雨時(shí)間越長(zhǎng)，錨桿的支護(hù)效果會(huì)越明顯。

4.2 降雨強(qiáng)度對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響

為研究降雨強(qiáng)度對(duì)錨桿支護(hù)前后高邊坡穩(wěn)定性的影響，分別設(shè)置六組不同的降雨強(qiáng)度，并結(jié)合該文上述內(nèi)容，計(jì)算各個(gè)降雨強(qiáng)度條件下的錨桿支護(hù)高邊坡安全系數(shù)，得出具體數(shù)值后，記錄不同降雨強(qiáng)度條件下，錨桿支護(hù)前后高邊坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，將其繪制出來(lái)，如圖5 所示。

圖5 不同降雨強(qiáng)度下高邊坡在錨桿支護(hù)前后的安全系數(shù)變化情況示意圖

由圖5 可以看出，錨桿支護(hù)前，降雨強(qiáng)度從0.1m～0.5m，高邊坡的安全系數(shù)從1.536 降至1.369，降低幅度為0.167。而在錨桿支護(hù)后，降雨強(qiáng)度從0.1m～0.5m，高邊坡的安全系數(shù)從1.986 降至1.864，降低幅度為0.122。錨桿支護(hù)前后，隨著降雨強(qiáng)度增加，高邊坡的安全系數(shù)均呈現(xiàn)出明顯遞減趨勢(shì)，但錨桿支護(hù)后高邊坡的安全系數(shù)始終高于錨桿支護(hù)前，錨桿支護(hù)后安全系數(shù)下降的幅度也比錨桿支護(hù)前低。結(jié)合該文降雨時(shí)間和降雨強(qiáng)度對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響的分析可知，通過(guò)錨桿支護(hù)可有效提高高邊坡的安全穩(wěn)定性，在不同的降雨入滲條件下，錨桿支護(hù)作用不同：降雨時(shí)間越長(zhǎng)，錨桿支護(hù)作用效果越明顯。降雨強(qiáng)度逐漸增加，錨桿支護(hù)的作用逐漸減弱，但能夠確保高邊坡的穩(wěn)定性不受影響。

5 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為較成熟和高效的計(jì)算機(jī)技術(shù)，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)方法的局限性，在市場(chǎng)各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。當(dāng)前使用最多的數(shù)字模擬軟件包括GeoStudio、PLAXIS3D、MIDAS 等，其中PLAXIS 三維軟件操作簡(jiǎn)單、計(jì)算能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣，適用于各類巖土工程問題，可以解決復(fù)雜問題。在邊坡穩(wěn)定性問題的分析過(guò)程中，以強(qiáng)度折減法為基礎(chǔ)，進(jìn)行邊坡飽和、非飽和狀態(tài)下的滲流分析，通過(guò)設(shè)置復(fù)雜的時(shí)間相關(guān)邊界條件，集中分析變形隨時(shí)間變化等問題，并將邊坡失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力-變形關(guān)系耦合起來(lái)，自動(dòng)尋找滑移面，該研究方式可以解決邊坡塑性、安全、固結(jié)、滲流以及流固耦合等問題。因此，該文應(yīng)用PLAXIS 三維軟件，采用建立有限元模型的方式進(jìn)行研究，得出結(jié)論：1）對(duì)高邊坡進(jìn)行錨桿支護(hù)可以有效提升邊坡的穩(wěn)定性。2）降雨時(shí)間越長(zhǎng)，降雨強(qiáng)度越大，高邊坡穩(wěn)定性越低，但錨桿支護(hù)后高邊坡穩(wěn)定性始終高于錨桿支護(hù)前。