某二元结构高边坡加固效果对比分析研究

董万森

（山西交通控股集团 吕梁北高速公路管理有限公司，山西 吕梁 033100）

0 引言

随着经济的发展，基础设施建设有了巨大的提升。基础设施建设不可避免地会遇到各种各样的高陡边坡。高陡边坡在长期的地质作用下可能会发生失稳的情况，尤其是土质及强风化岩层边坡在长时间的暴雨或者地震作用下极易发生垮塌、滑坡的危险，从而对坡脚处的基础设施造成严重的经济损失，甚至带来巨大的安全隐患，因此往往需要对高陡边坡进行支护设计[1]。高陡边坡支护过程中一般需要对边坡进行开挖等，这会改变边坡的原始应力状态。如何保证在高边坡开挖过程中的安全性，并选择经济合理的支护方案，是岩土工程界重要的研究课题[2]。利用数值分析软件能够较好地模拟工程的实际情况，为工程的设计施工提供参考。

1 工程概况

某二元结构的高边坡，高约22 m，该边坡岩层倾角为7°～9°，是典型的外倾顺向边坡。上部为杂填土及粉质黏土，其中素填土平均厚度约为6 m，粉质黏土平均厚度为5 m。其下为强风化至中风化的炭质页岩，强风化炭质页岩厚度高达9.5 m。边坡坡脚拟新建一条公路。岩土参数如表1所示。为了提出针对性的支护方案，笔者首先对该边坡的天然状态进行有限元分析。

表1 土层参数表

2 有限元模型建立及分析

2.1 有限元软件简介

目前用于边坡工程有限元分析的软件较多，常见的比如FLAC 3D，ANSYS，ADINA，MidasGTS NX等，都能进行边坡的稳定性分析。但在这些软件中，Midas GTS NX是针对岩土工程开发的有限元软件，该软件主要分为前处理和后处理两个部分，用户界面简洁易懂，具有强大的岩土材料模型库，同时能够进行快速的几何建模和网格划分，能够模拟绝大部分的岩土体破坏模式，具有接近真实情况等诸多优点[3]。因此本文将采用Midas GTS NX软件来进行该工程的有限元分析。

2.2 原始边坡有限元分析

该边坡处于Ⅵ级地震区，因此本文暂不考虑地震对边坡的影响，主要考虑了天然工况及暴雨工况对边坡稳定性的影响。由于缺乏岩土的渗流函数等必要的参数，因此本文不适合采用渗流固结分析。当遇到持续暴雨的时候，雨水不再渗入地下，将沿边坡表面流动形成地表径流，下部土体全是处于饱和状态，因此在设置参数时使用土体的饱和重度来简化模拟，达到模拟暴雨的目的。

边界范围的选取对有限元模型的建立及计算具有重要的影响。边界范围过大不仅会造成计算机资源的浪费，造成运算时间过长，同时对边坡的精度并没有实质性的提升作用。边界范围过小则会由于边界的约束使边坡的应力发生重分布，不能很好地还原边坡的原始状态。因此选取合理的边界范围是建立良好有限元模型的重要前提。本文采用的模型尺寸边界如图1所示。在此基础上建立的有限元模型如图2所示。

图1 建模尺寸示意图

图2 边坡原始状态有限元模型

通过模拟计算得出，该边坡在天然状态下的安全系数为1.137，暴雨状态下的安全系数仅为1.041，安全系数减小了0.096，均处于欠稳定、濒临破坏的状态。

图3 原始边坡塑性区分析图

通过图3可以看出，边坡已经在粉质黏土和强风化炭质页岩之间形成了圆弧滑动面，并在坡脚处出现最大的塑性应变区，极易超过土体的抗剪强度，从而造成土体在坡脚处剪出，形成牵移式滑动破坏，因此亟需对该边坡进行防护设计，避免对公路造成建设和运营期的危险。

2.3 支护方案选择及其有限元模型

通过对原始边坡的稳定性及塑性区分布的分析，本文采用了两种支护方案进行分析。由于该边坡为牵移式滑动边坡，因此方案一为在边坡坡脚处设置抗滑桩，同时结合对边坡顶部放缓坡并进行护面喷混凝土，同时削坡减载、减小边坡的下滑力，从而达到稳定边坡的目的。方案二为放三级边坡，并在边坡内设置长锚杆，使锚杆与土体形成一个新的加固体系，提高土体的抗剪强度，达到整体加固边坡的目的。但如果第三级放坡为8 m的话，则边坡分级的位置正好在强风化炭质页岩和粉质黏土的岩层分界面上，这样容易造成上覆土体从边坡分界面处滑动，造成剪切破坏，因此边坡分级应避免在此类界面处[4-7]。两种方案的具体设计参数如表2所示。

表2 边坡支护设计参数表

2.4 有限元模型建模

在前面边坡的天然状态分析的基础上建立了边坡支护的锚杆方案和抗滑桩支护方案的有限元模型，分别如图4和图5所示。

图4 锚杆方案支护设计有限元模型图

图5 抗滑桩方案支护设计有限元模型图

为了更好地研究在支护过程中边坡状态的变化情况，采用Midas有限元软件里的施工阶段进行模拟，两种方案下的施工过程如表3所示。

表3 两种方案的施工步骤

2.5 不同支护方案下的边坡分析及其优化设计

通过对不同支护方案的施工步骤分析，得到了不同支护方案下的边坡稳定性变化过程。

2.5.1 锚杆支护方案

该边坡在锚杆支护方案的实施过程中，其边坡的稳定性如图6所示。

三是国法。中国古代社会十分重视法的作用，《左传》中有记载，“仲尼曰：政宽则民慢，慢则纠之以猛；猛则民残，残则施之以宽。宽以济猛，猛以济宽，政是以和。”[6]这就是说，君主在以社会道德引导百姓自觉遵守社会规范的同时，必须辅之以法律惩治，才能维护正常的社会秩序。

图6 锚杆支护下的边坡安全系数变化图

从图6可以看出，随着锚杆支护方案的逐步实施，边坡的安全系数逐步提升，从原始状态的1.137逐步提升到2.084，其安全系数增大了83.3%，极大地提升了边坡的稳定性。从图中可以看出，在进行开挖2施工步骤时，边坡的安全系数有轻微的下降，这是因为开挖第二级边坡时改变了边坡的应力分布，降低了边坡的抗滑阻力。但总体上还是处于稳定状态。

本文同时分析了持续暴雨状态下锚杆支护方案下的边坡稳定性，边坡的安全系数降低到了1.163，与天然工况下有锚杆支护的边坡安全系数2.084相比，降低幅度达到44.2%。暴雨工况下边坡的土体塑性区分布如图7所示。

图7 暴雨工况锚杆支护的边坡塑性区分布图

通过图7可以看出，在持续暴雨条件下，边坡形成了穿过强风化炭质页岩的圆弧滑动带。从该塑性区分布可以看出锚杆对边坡的整体加固起到了极大的作用，尤其是第二三级边坡的边坡锚固段深入稳定岩层中，对边坡滑动起到了抗滑的作用。同时由于锚杆的支护作用，与锚固区的土体形成了一个整体性的加强区域，提高了该区域的整体抗剪强度，从而提高了边坡的稳定性。而第一级边坡的锚杆则尚未穿过滑动带，对提高边坡的稳定性起到的作用有限。因此，笔者认为可放缓第一级边坡的坡率，达到减小工程造价的目的。也可以进一步加长锚杆的长度，使其穿越滑动带，从而进一步提高边坡的稳定性。

但结合边坡的安全系数和塑性区分布可以看出，无论是天然工况还是暴雨工况，边坡总体处于稳定状态，达到了加固边坡的目的。

2.5.2 抗滑桩方案

该边坡在抗滑桩支护方案的实施过程中，其边坡的稳定性如图8所示。

图8 抗滑桩支护下的边坡安全系数变化图

从图8可以看出，随着抗滑桩的施工，边坡的安全系数由原来的1.152提高到了1.627，其安全系数增大了41.2%。较好地增加了边坡的稳定性。从图中可以看出，在进行第二步开挖时，边坡的安全系数有轻微的减小，同样也是因为减小了边坡抗滑段的土体重量，使得下滑段土体的下滑力与抗滑段土体的抗滑力比值增大，造成安全系数降低。因此在实际施工过程中，尤其是暴雨天气状态下，应注意在开挖过程中的边坡监测，避免带来施工过程中的危险。而随着边坡抗滑桩背后的填土施工，抗滑桩对边坡的滑动起到了重要的抵抗作用。边坡的安全系数由1.209提高到了1.489，提升幅度高达23.2%。最终通过对边坡进行喷射混凝土的防护施工，边坡的安全系数提高到了1.627。究其原因，这是因为施工边坡表面喷射混凝土之后，边坡表面的抗剪强度得到了极大的提升，从而抑制了土体从边坡表面发生剪切破坏。

同样分析了施工完毕后天然工况与暴雨工况下的边坡稳定性。天然工况下，虽然抗滑桩支护下的边坡安全系数为1.627，但在持续暴雨的极端情况下，边坡的安全系数降低到了1.156，降低了28.9%。进一步分析暴雨工况下边坡的土体塑性区分布如图9所示。

图9 暴雨工况抗滑桩支护的边坡塑性区分布图

从图9可以看出，在持续暴雨条件下，边坡形成了穿过粉质黏土的圆弧滑动带，而在桩前形成了较大的土体塑性应力集中区，并在绕过桩底位置。同时，由于抗滑桩的设置，阻断了边坡原有的圆弧滑动带，使得滑动带向土体深处下移。证明了抗滑桩对土体的滑动起到了很大的阻挡作用。同样地，虽然抗滑桩阻挡了边坡形成贯通的塑性区，但桩前土应力较大，同时滑动带绕过了桩底，在暴雨加地震的极端荷载下，有可能会产生彻底绕过桩底的更深的滑动带，从而发生整体的倾倒破坏。因此，还应适当加长桩的嵌固深度，在工程经济性和安全性之间取得一个较好的平衡。

2.5.3 两种方案对比分析

通过对以上两种方案的分析结果可以看出，两种方案均能提高边坡的稳定性，都是合理的设计方案。但进一步分析可以看出，锚杆支护属于主动加强的防护措施，能够整体提升边坡的抗剪强度，且具有施工速度快等优点。而抗滑桩属于被动支护方案，只有当土体发生位移并作用在抗滑桩上时，抗滑桩才能利用自身的抗剪抗弯能力来抵挡主动土压力，从而达到稳定边坡的目的，但其自身的施工更容易得到保证。两种设计方案各有优点。针对具体工程应当主动支护措施与被动支护措施综合考虑，充分分析边坡的破坏机理，因地制宜，制定边坡防护方案，达到提高边坡稳定性，同时有效控制工程造价的目的。

3 结论

通过分析不同支护方案下的边坡稳定性，得到了以下主要的结论：

a）分析了在未支护条件下，边坡的安全系数和塑性区的分布情况，得到了边坡是沿粉质黏土与强风化炭质页岩的岩层分界面滑出的牵移式滑动破坏，为支护方案的选择奠定了基础。

b）锚杆支护下，边坡的稳定性安全系数由1.137提高到2.084，圆弧滑动带下移至强风化炭质页岩层。锚杆与锚固范围内的土体形成了整体的加强体，提高了边坡的稳定性。

c）抗滑桩支护下，边坡的安全系数由1.152提高到了1.627，抗滑桩的被动防护措施阻断了潜在滑动带的贯通，从而提高了边坡的稳定性。