红黏土边坡防护技术研究

张颖，陈开圣，王磊，蒋洪，蒋浩

(1.贵州大学 土木工程学院， 贵州 贵阳 550025；2.中国建筑第四工程局有限公司 工程技术研究院（技术中心）， 广东 广州 510665)

0 引言

传统的边坡破坏形式为圆弧滑动破坏，但红黏土边坡的破坏形式不同于传统边坡破坏形式[1]，所以按照规范设计的红黏土边坡，有的在早期运营阶段，甚至施工阶段就出现了破坏。所以对于红黏土边坡的防护方案不同于传统，应该被提出来具体研究。对于同一边坡，一般有多种方案，但在技术、环境、造价方面有很大的差别，本文通过数值模拟计算锚索抗滑桩、锚杆挡土墙、锚索框架梁、锚索框架梁+挡土墙 4种防护措施下红黏土边坡经历降雨后的安全系数，以及各防护方案下的工程造价和对环境的影响，优选出适宜红黏土边坡的防护措施。

1 Midas GTS NX简介

Midas GTS NX是由迈达斯信息科技有限公司开发的一套针对岩土和桥隧专业的岩土数值模拟软件[2]。边坡稳定分析就是通过计算分析边坡内部的剪切应力和剪切强度来计算边坡的稳定性[3]。Midas GTS NX中边坡稳定性分析采用强度折减法，将边坡岩土体的强度参数不断折减，直致边坡达到破坏，计算出边坡的滑动面和安全系数[4]。

2 参数确定

确定红黏土的基本参数见表1。

表1 红黏土基本物理参数

支护结构的物理参数，锚杆采用 HRB335和HRB400型号规格钢筋，锚索采用钢绞线，挡土墙和抗滑桩、框架梁均采用C30混凝土材料，根据《钢结构设计规范》、《预应力混凝土钢绞线规范》以及《混土结构设计规范》确定支护结构参数，见表2。

表2 支护结构物理参数

3 贵阳市年降雨情况

贵阳市气象资料显示，当地六月份降雨最大，整月降雨量达到213.36 mm，如图1所示，贵阳市2019年6月12日降雨量为54.3 mm，降雨时间为12 h，是最恶劣的情况。所以将模拟边坡降雨量定为54.3 mm，即暴雨级别和降雨时间为12 h。在降雨状况下模拟不同防护形式下的防护效果，使结果更具有代表性，更符合实际工程。

4 模型建立

图1 贵阳市6月份日降雨时间及降雨量柱状图

拟定2级红黏土边坡，1级坡坡率1:1.5，2级坡坡率1∶1，坡高20 m。根据文献[5]可知，当坡脚右端边界的距离为坡高的1.5倍，坡顶到左端边界的距离为坡高的 2.5倍，且上下边界总高不低于2倍坡高时，计算精度最为准确[5]。按理论在CAD中画出模型，然后利用Midas GTS NX导入DXF文件功能，自动生成边坡外围轮廓线，选取合适的材料参数，对土层和各支护结构设置材料属性，并采用三角形+四边形单元划分网格。岩土体采用摩尔-库伦本构模型计算，支护结构采用弹性模型，边界条件固定前后左右和底部，并施加重力场和降雨边界，建立几何模型如图2所示。

图2 几何模型

5 结果分析

5.1 锚索抗滑桩

利用软件中的锚建模助手在抗滑桩中植入锚索，锚索与抗滑桩的夹角为15°，长13 m，取锚固段为5 m，自由段8 m，锚索布设在距桩顶1 m处，设置直径为0.025 m，预应力为200 kN。锚索采用钢绞线，建立模型如图3所示。

计算结果显示：在抗滑桩与锚索共同作用下，边坡安全系数为 1.3，边坡处于基本稳定状态。从图4至图6云图可知，抗滑桩与锚索共同作用，边坡基本稳定，在锚索与抗滑桩共同加固下边坡剪应力较少，剪应力在桩体周围聚集，所以桩身阻碍了剪应力等值线的延伸，这说明了抗滑桩能有效抵抗土体的剪应力，但由于抗滑桩桩底需要深入坡底，所以会将桩上的剪应力通过桩底传递到边坡底部，导致桩底部的剪应力增大，因而在桩底处剪应力等值线出现了回折并形成类似小圆泡的凹槽现象。同时由于锚索的作用，边坡上部的滑体能较好地保持稳定，如图6所示，塑性贯通区面积较小，但贯通区并未完全消失，仍然存在一定的安全隐患。

5.2 锚杆挡土墙

利用软件模拟锚索加挡土墙共同支护边坡，挡土墙支挡坡脚，锚杆锚固坡面，锚杆直径0.025 m，长度13 m，锚固段5 m，设置200 kN的预应力，墙体用C30混凝土，建立模型如图7所示。

图3 锚索抗滑桩模型

图4 锚索抗滑桩位移云图

图5 锚索抗滑桩剪应力云图

图6 锚索抗滑桩塑性区云图

计算结果见图8～图10，由图8～图10可知：挡土墙与锚杆共同支护边坡的安全系数为1.51，边坡稳定性较好。从位移来看，边坡最大位移在55.7 mm左右。在挡土墙墙身处出现应力集中，且在锚杆的端部出现了一些应力圈，说明锚杆将预应力传递到了周围土体，产生了附加应力，调整和改善土体内部不利的应力状态，提高土体的强度和承载能力。同时挡土墙能抵抗墙后的土体压力，防止边坡下滑。由图 10可知，塑性区未出现贯通，且均出现在锚杆后端，说明锚杆有效制约了结构面发展，减少了边坡整体位移。但在锚杆的端头处出现了小面积的塑性区，这是锚杆施加的预应力对表层土产生了压应力，导致了周围土体变形。预应力通过锚杆及周边土体传至边坡内部，增强了土体抗剪能力，有效提高了边坡稳定性。

图7 锚杆挡土墙模型

图8 锚杆挡土墙位移云图

图9 锚杆挡土墙剪应力云图

图10 锚杆挡土墙塑性区云图

5.3 锚索框架梁

框架梁采用植入式梁单元进行析取，截面为 3 m×3 m，锚索采用植入式桁架，与边坡模型自动进行节点耦合，模型见图11。

经过数值计算得出锚索框架梁防护边坡安全系数为1.6，边坡稳定。从图12到图14可以看出，用锚索框架梁加固后的边坡最大位移为49 mm，相较于锚杆挡土墙加固的边坡位移减小，剪应力等值线稀疏。锚索支护处剪应力等值线向下弯折，且塑性区出现在锚索锚固段后，说明锚索框架梁改变了坡内的剪应力分布，有效加固了坡体，提高了坡体的抗剪能力。由于在坡脚处没有设置支挡结构，在坡脚处出现了剪应力集中的现象，导致坡脚处极其容易发生破坏。塑性区面积较小，大部分都出现在坡面处，这是由于预应力通过框架梁传至土体，对土体产生了挤压，导致边坡表面土体产生变形。整体上锚索框架梁防护使土体整体性增强，提高了土体抗剪能力。

图11 锚索框架梁模型

图12 锚索框架梁位移云图

图14 锚索框架梁塑性区云图

5.4 锚索框架梁+挡土墙

锚索框架梁+挡土墙模型见图15所示。

计算结果见图 16～图 18，通过计算得出设置挡土墙与锚索框架支护梁后边坡的安全系数为1.8，边坡稳定性高。锚索框架梁能够有效抵抗边坡下滑，从位移来看，边坡最大位移24.9 mm左右，相较与前几种支护方案位移明显减少。应力集中在挡土墙墙身处，挡土墙抵抗了墙后土体的压力，防止边坡向下滑出。剪应力在锚索防护处向下弯折，塑性区出现在锚固区域后面，锚索使坡体形成整体，锚索将预应力传至深层稳定土层，使坡体牢固，边坡稳定。由图 18可知，塑性区面积极小，边坡变形小，在锚索框架梁和挡土墙共同作用下，有效提高了边坡的稳定性。

从表3可看出，联合支护的安全系数都较高，锚索框架梁，锚杆挡土墙，锚索框架梁+挡土墙，锚杆挡土墙均达到了《建筑边坡工程技术规范》（GB 50300-2013）中规定的永久性边坡一般工况下边坡安全系数须不小于1.35的要求。

图15 锚索框架梁+挡土墙模型

图16 锚索框架梁+挡土墙位移云图

图17 锚索框架梁+挡土墙剪应力云图

图18 锚索框架梁+挡土墙塑性区云图

表3 不同支护方案下的边坡安全系数

6 造价分析

本文仅对防护工程进行计算，即防护工程所需费用进行计算。采用综合单价法计算，计算依据的预算定额为《贵州省市政工程计价定额2016版》。

表4 各支护方式的造价/元

通过造价计算得出各防护工程造价，锚索框架梁+挡土墙＞锚索框架梁＞锚杆挡土墙＞锚索抗滑桩。

7 结论

综合4种支护方式，从安全系数角度来看，锚索框架梁，锚索框架梁+挡土墙，锚杆挡土均达到规范要求，但是对于锚杆挡土墙来说，锚杆虽能改变边坡内部应力重分布，增强坡体整体性，提高边坡稳定性，但坡体表面裸露较多，经过雨水冲刷，长期风化作用，边坡表面土壤容易遭受侵蚀，造成水土流失，亦可能影响边坡稳定。锚索框架梁+挡土墙虽防护效果最佳，安全系数最高，但其工程造价最高，工期也较长，对环境的影响较大。而锚索框架梁支护，在框架梁中进行植被的栽种，由于框架梁呈网格状排布在坡面，植被栽种在框架梁中，一定程度上框架梁能够阻碍雨水的径流，减少雨水对植被的冲刷，有利于植被生长，待后期植被扎根，不仅对坡面起到加固作用，还绿化公路周边环境，减缓行车视觉疲劳。因此，综合考虑选择锚索框架梁并在框架梁中栽种植物作为红黏土边坡最佳防护方案。