基于数值模拟的顺层岩质边坡抗滑桩支护设计

王张军

（湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南吉首 416000）

基于数值模拟的顺层岩质边坡抗滑桩支护设计

王张军

（湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南吉首 416000）

以湖南某高速公路顺层岩质边坡为例，利用FLAC3D软件模拟分析了顺层岩质边坡开挖前后的安全系数、剪切应变、沉降位移、水平位移变化，并采用抗滑桩对开挖后的顺层岩质边坡进行支护，模拟分析抗滑桩支护对边坡稳定性的支护效果。结果表明，该边坡在自然状况下整体稳定，进行开挖后易发生垮塌，采用抗滑桩支护措施对其稳定性具有一定积极效果。

公路；顺层岩质边坡；抗滑桩；数值模拟

工程建设中会对原有岩土体造成不同程度的扰动，可能使边坡发生重大变形，甚至导致路基边坡发生整体失稳。在发生垮塌的边坡或具有潜在垮塌危险的边坡中，顺层岩质边坡占据大多数。如果处置不当，在工程建设及后期运营期间可能发生严重的灾害。所以对开挖后的顺层岩质边坡进行稳定性分析并对可能发生垮塌的边坡采取支护措施是亟需解决的问题。

在顺层岩质边坡稳定性研究方面，刘才华等认为顺层岩质边坡的稳定性主要取决于滑动面的物理力学性质和地下水对边坡岩土体的水压力；李云鹏等认为顺层岩质边坡的破坏主要表现为剪切滑动；许宝田等利用数值软件研究了多层含软弱夹层顺层岩质边坡的失稳机制。在顺层岩质边坡支护方式研究方面，黄润秋、史振兴等从工程地质的角度对顺层岩质边坡的变形机制进行分析，提出了预应力锚索和抗滑桩的加固方案。在数值模拟方面，主要是利用有限元或有限差分法建立二维或三维数值计算模型，研究桩-土相互作用下桩身变形与内力分布及桩周土体应力和变形情况。在试验研究方面，主要是通过室内小比尺物理模型与离心试验等，直观研究桩-土相互作用及抗滑桩的工作性能。上述研究并未对顺层岩质边坡开挖过程及抗滑桩加固后的稳定性进行分析。该文依据某高速公路顺层岩质边坡，运用FLAC3D软件分析边坡开挖过程及采取相应支护措施后的稳定性。

1　工程概况

某高速公路K51+820—960段顺层岩质边坡高约20m，坡度约45°，下伏基岩为三叠系下统夜郎组灰岩与泥岩互层。产状为326°∠39°，坡向327°，与岩层面倾向的夹角为60°，属于顺层岩质边坡，产生顺层滑动的危险性大（见图1）。线路从斜坡体中下部通过，植被较发育，局部基岩出露，开挖施工会影响边坡的稳定性，需采取抗滑桩对其进行支护。为验证抗滑桩支护边坡的可靠性，采用FLAC3D软件对边坡开挖及支护过程进行数值模拟分析。该边坡中风化泥岩的基本参数见表1；桩结构采用FLAC3D中的Pile模拟，各项参数见表2。

图1　K51+820—960段边坡剖面示意图

表1　边坡岩土体物理力学参数

表2　抗滑桩计算力学参数

2　数值模型的建立

根据该顺层岩质边坡的实际情况建立数值计算模型，取边坡高度为20m，坡度为30°，模型下边界为62m，左边界为40m，右边界为20m，上边界为18m，坡脚至右边界约为10m（见图2）。模型的下边界固定，侧向约束水平位移，上部为自由边界，采用Mohr-Coulomb准则描述土体的应力-应变关系，将自重应力场作为边坡的初始应力场。

图2　K51+820—960段边坡数值计算模型（单位：m）

3　计算结果与分析

3.1边坡开挖前稳定性分析

利用FLAC3D对该顺层岩质边坡进行稳定性分析，采用强度折减法计算边坡的安全系数。计算得开挖前边坡的安全系数为1.22，图3～5为未开挖边坡剪切应变增量云图、沉降位移变化云图和水平位移变化云图。

由图3可知：未开挖边坡的剪切应变最大值出现在边坡坡脚附近及距离坡脚一定高度处，说明当边坡发生扰动时，可能从坡脚处与距坡脚一定距离处滑出。工程实际中，边坡的失稳往往是从坡脚开始，模拟结果较符合工程实际。

图3　未开挖边坡剪切应变增量云图

图4　未开挖边坡沉降位移变化云图（单位：m）

图5　未开挖边坡水平位移变化云图（单位：m）

由图4和图5可知：边坡的最大沉降为0.029 m，水平位移最大值为0.053m，对边坡安全稳定性的影响较小。

综上，该边坡在自然状况下整体稳定，但对其进行开挖或在外部不利因素作用下，边坡有可能从坡脚或距坡脚一定高度处滑出。

3.2边坡开挖后稳定性分析

对边坡进行开挖，开挖高度为9m，计算开挖时边坡的稳定性，得开挖后边坡的安全系数为1.105，图6～8为开挖后边坡剪切应变增量云图、沉降位移变化云图和水平位移变化云图。

图6　开挖后边坡的剪切应变增量云图

图7　开挖后边坡沉降位移变化云图（单位：m）

图8　开挖后边坡水平位移变化云图（单位：m）

由图6可知：边坡开挖时，剪切应变主要分布在边坡内部和开挖面附近的土体，并且在边坡开挖面附近贯通，剪切应变增量最大值主要出现在坡脚处。

由图7、图8可知：边坡的沉降位移最大值为0.057m，出现在边坡开挖面处；水平位移最大值为2.12m，出现在坡角处。综上，对该边坡进行开挖时，边坡由稳定状态转变为不稳定状态，在强降雨条件下可能由坡脚处滑出，需采用抗滑桩进行支护。

3.3边坡抗滑桩支护后稳定性分析

为确保施工及后期运营安全，采用抗滑桩对该顺层岩质边坡进行支护（见图9），并利用FLAC3D建立数值模拟计算模型（见图10），计算分析抗滑桩支护后边坡的稳定性。计算得支护后边坡的安全系数为1.25，图11～13为支护后边坡的剪切应变增量云图、沉降位移变化云图和水平位移变化云图。

图9　抗滑桩支护边坡示意图

图10　抗滑桩支护边坡计算模型

图11　支护后边坡的剪切应变增量云图

图12　支护后边坡的沉降位移变化云图（单位：m）

图13　支护后边坡的水平位移变化云图（单位：m）

由图11可知：支护后边坡的剪切应变变化主要出现在边坡内部，剪切应变增量最大值出现在坡脚的局部，未支护时边坡开挖面附近的剪切应变并未出现，说明抗滑桩支护边坡具有一定效果。

由图12、图13可知：支护后边坡的沉降位移最大值为0.012m，出现在抗滑桩的顶部；水平位移最大值为0.035m，出现在坡角处。

综合边坡的安全系数及剪切应变、沉降位移与水平位移云图，采用抗滑桩支护措施对边坡的稳定性产生了积极的效果。

4　结论

（1）顺层岩质边坡在自然状况下的安全系数为1.22，最大沉降位移为0.029m，最大水平位移为0.053m，整体稳定。

（2）顺层岩质边坡开挖后安全系数为1.105，最大沉降位移为0.057m，最大水平位移为2.12m，开挖处存在两处剪切应变，且开挖面附近的剪切应变贯通，说明顺层岩质边坡在开挖后容易发生垮塌事故。

（3）采用抗滑桩支护后，顺层岩质边坡的安全系数为1.25；沉降位移最大值为0.012m，出现在抗滑桩的顶部；水平位移最大值为0.035m，出现在坡角处。说明采用抗滑桩支护措施对边坡的稳定性具有一定积极效果。

［1］ 刘才华，徐健.岩质边坡水力驱动型顺层滑移破坏机制分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（19）.

［2］ 李云鹏，杨治林，王之银.顺层岩质边坡岩体结构稳定性位移理论［J］.岩石力学与工程学报，2004，19（6）.

［3］ 许宝田，钱七虎.多层软弱夹层边坡岩体稳定性及加固分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（增刊2）.

［4］ 黄润秋，赵建军.汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）.

［5］ 史振兴.汤屯高速匝道顺层滑移型边坡稳定性及灾害控制研究［D］.成都：成都理工大学，2009.

［6］ 高大水，徐年丰.用混凝土阻滑键技术治理灰岩顺层滑坡［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（增刊2）.

［7］ 高长胜，陈生水，杨守华，等.基于强度折减有限单元法的抗滑桩加固边坡特性分析［J］.水利与建筑工程学报，2010，8（4）.

［8］ 杨明，姚令侃，王广军.桩间土拱效应离心模型试验及数值模拟研究［J］.岩土力学，2008，29（3）.

［9］ 高长胜，魏汝龙，陈生水.抗滑桩加固边坡变形破坏特性离心模型试验研究［J］.岩土工程学报，2009，31（1）.

［10］ 年廷凯.桩-土-边坡相互作用数值分析及阻滑桩简化设计方法研究［D］.大连：大连理工大学，2005.

［11］ 施红艺，刘明.路堑边坡顺层滑坡分析与治理［J］.公路与汽运，2015（3）.

U416.1

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2016-04-13