基于Midas/GTS數(shù)值模擬分析的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

李大紀(jì)，文慶軍

(廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司，廣西　南寧　530001)

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基于Midas/GTS數(shù)值模擬分析的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

李大紀(jì)，文慶軍

(廣西桂商實(shí)業(yè)投資有限公司，廣西南寧530001)

在某高速公路路塹邊坡開(kāi)挖受限施工條件下，文章分別建立了受限情況下放坡開(kāi)挖和加設(shè)擋土墻兩個(gè)Midas/GTS二維數(shù)值模型來(lái)對(duì)比分析邊坡的穩(wěn)定性，為選定該路塹邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案提供了依據(jù)，為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

Midas/GTS；數(shù)值模擬；邊坡穩(wěn)定性；方案設(shè)計(jì)

0　引言

本文通過(guò)Midas/GTS數(shù)值模擬軟件建立二維數(shù)值模型，分別對(duì)比分析了受限條件下邊坡以1∶1坡比放坡開(kāi)挖后使用防護(hù)與設(shè)置擋土墻措施，兩個(gè)邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案在連續(xù)強(qiáng)降雨工況中的邊坡穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì)，最終根據(jù)分析結(jié)果選定了設(shè)置擋土墻措施的路塹邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

1　工程概況

某高速公路為兩地級(jí)市間的交通主干道，設(shè)計(jì)時(shí)速主線80 km/h、100 km/h，設(shè)計(jì)路基寬度主線24.58 m、26 m，路線全長(zhǎng)約100 km，設(shè)計(jì)上有多處高邊坡路段。本文所述高邊坡路段長(zhǎng)度約160 m，設(shè)計(jì)路段位于大型巖石老滑坡區(qū)，經(jīng)詳細(xì)勘察查明該滑坡已穩(wěn)定，不影響本路段路線方案的確定。其中，涉及路塹高邊坡路線中約

50 m長(zhǎng)距離的右側(cè)邊坡附近有未遷移電力設(shè)施桿線，路基左側(cè)紅線外為耕地；路線設(shè)計(jì)邊溝線與電力設(shè)施基礎(chǔ)水平距離約12 m，電力設(shè)施基礎(chǔ)原地面高于設(shè)計(jì)邊溝頂面約8.5 m。

氣候條件：工程位于西南地區(qū)高原山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。多年平均氣溫16.9 ℃，極端最高氣溫35.5 ℃，極端最低氣溫-5.5 ℃。年相對(duì)濕度80%，最大年降雨量1 973.9 mm，最小年降雨量1 062.0 mm，年均降雨量1 476.3 mm；其中4～10月降雨量占全年的88.1%，降雨分布不均。

地形地貌與地層巖性：本路段屬山麓斜坡堆積地貌，受構(gòu)造影響，灰?guī)r石山巖壁陡峭近垂直，灰?guī)r產(chǎn)狀近水平，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其下為斜坡堆積坡地；地形自南往北傾斜，斜坡自然坡度約15°～20°。山腳及山間盆(洼)地多為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地。

據(jù)地表調(diào)查和鉆探揭示，地區(qū)地層由第四系覆蓋層(Q)和泥盆系上統(tǒng)(D3)基巖組成。

(1)第四系覆蓋層(Q)

①坡積層(Qdl)：黏土，黃、褐黃色，可塑狀，土質(zhì)不均勻，地表含植物根系。層厚0.80～7.80 m不等。②崩積層(Qc)：碎、塊石，成分為強(qiáng)-中風(fēng)化灰?guī)r，粒徑大小不一，中間充填黏土。層厚8.90～20.90 m。

(2)泥盆系上統(tǒng)(D3)基巖

①?gòu)?qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖：黑色，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖質(zhì)極軟，呈硬塑，巖芯呈土柱、碎塊狀。②中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖：黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)軟，遇水易軟化，巖芯多呈碎塊狀，餅狀及短柱狀。

水文地質(zhì)條件：地段內(nèi)無(wú)地表水系，地表水主要為降水時(shí)形成的地表漫流。地下水主要以坡體覆蓋層中孔隙水的形式存在，其主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。

不良地質(zhì)路段情況：據(jù)地質(zhì)勘察反映，沿線存在的不良地質(zhì)類型主要有飽和黏土、巖溶及滑坡等。

2　邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析及選定

施工后邊坡安全與質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求是邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)的最基本要求，而邊坡穩(wěn)定是保證邊坡安全與質(zhì)量的前提，故進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析是確定防護(hù)設(shè)計(jì)方案不可或缺的步驟，只有穩(wěn)定性滿足要求的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案才能被應(yīng)用于工程實(shí)際。除此以外，一般的邊坡防護(hù)工程設(shè)計(jì)中，還必須考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可采用的施工方法，如：一般高邊坡路塹開(kāi)挖多選擇放坡開(kāi)挖，放坡后再進(jìn)行防護(hù)施工；條件限制時(shí)，可采用支擋結(jié)構(gòu)物的方式盡量減小甚至避免被放坡的要求。

針對(duì)本研究對(duì)象，本文分別建立起1∶1坡比開(kāi)挖和加設(shè)擋土墻措施等兩個(gè)防護(hù)設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的Midas/GTS二維數(shù)值模型，對(duì)比分析了邊坡穩(wěn)定性及土體滑動(dòng)狀況，進(jìn)而選定適用于本段路塹邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)方案。

2.1數(shù)值模擬基本原理

Midas/GTS數(shù)值模采用莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則理論，模擬土體飽水工況條件下分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。在Midas/GTS數(shù)值模擬分析中，以收斂的非線性靜力工況計(jì)算下的邊坡各土體單元位移大小來(lái)衡量邊坡各部位的穩(wěn)定性是最為直觀的定量描述，而采用強(qiáng)度折減法計(jì)算的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)是表征邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵性指標(biāo)。

數(shù)值模擬分析的基本步驟為：運(yùn)行GTS軟件→項(xiàng)目設(shè)定→建立幾何模型和設(shè)置材料屬性→網(wǎng)格劃分→設(shè)置邊界條件→定義分析工況→運(yùn)行分析程序→查看分析結(jié)果。

結(jié)合巖土試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)鉆探、工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)，確定本文數(shù)值模擬所需的邊坡主要巖土力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1　邊坡各土層巖土力學(xué)參數(shù)表

2.2放坡開(kāi)挖的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析

本段邊坡設(shè)計(jì)上屬于挖方段，中線平均挖深10 m。理論上，坡度越緩，邊坡的穩(wěn)定性和安全性越強(qiáng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查結(jié)果及施工經(jīng)驗(yàn)，如本段邊坡施工中按1∶1.5坡比分級(jí)放坡開(kāi)挖，及時(shí)做好邊坡坡面防護(hù)即可達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的；但水平距路基邊溝約12 m、高出路基設(shè)計(jì)標(biāo)高約8.0～9.0 m的上邊坡位置有無(wú)法遷移的電力桿線設(shè)施，使得開(kāi)挖坡比的最大允許值僅為1∶1。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)如下方案：

(1)在受影響的50 m邊坡中按1∶1坡比開(kāi)挖、一級(jí)放坡，未受影響的其余邊坡段按1∶1.5放坡施工。

(2)對(duì)開(kāi)挖的坡面進(jìn)行一般坡面漿砌片石骨架防護(hù)，并在骨架內(nèi)培土和噴薄草籽綠化。

(3)邊坡作業(yè)面與電力桿線基礎(chǔ)距離按3～4 m預(yù)留；坡底碎落臺(tái)按1 m寬。

(4)清除坡面上方有滑塌危險(xiǎn)的土方；對(duì)電力設(shè)施基礎(chǔ)進(jìn)行漿砌片石加固。

根據(jù)邊坡土層分布及坡面測(cè)量數(shù)據(jù)，獲得的Midas/GTS二維數(shù)值模型如圖1所示。按上述具體方案，對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析所獲得的結(jié)果如圖2～5所示。

圖1　邊坡1∶1坡比成型示意圖

圖2　1∶1坡比開(kāi)挖后邊坡潛在滑動(dòng)面云圖

圖3　1∶1坡比開(kāi)挖后邊坡X方向(變形+未變形)云圖

圖4　1∶1坡比開(kāi)挖后邊坡Y方向(變形+未變形)云圖

圖5　1∶1坡比開(kāi)挖后邊坡XY方向(變形+未變形)云圖

邊坡在開(kāi)挖后，其潛在滑動(dòng)面處于邊坡坡體內(nèi)部，滑動(dòng)面的底部位于碎塊石層與炭質(zhì)泥巖層的交界面，如圖2所示的淺色圖層區(qū)域。通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算得出的邊坡安全系數(shù)約0.6，說(shuō)明邊坡在所模擬工況下整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2～5的數(shù)值模擬結(jié)果均為非線性靜力分析工況下，邊坡土層在各方向上土體滑塌的發(fā)展趨勢(shì)。其中，已開(kāi)挖的邊坡中部表土在X分向上的位移較大，屬于邊坡滑移造成，如圖2所示的對(duì)應(yīng)圖色圖層區(qū)域；已開(kāi)挖邊坡放坡頂部土體在在Y方向上的位移較大，屬邊坡沉降造成，如圖3中對(duì)應(yīng)圖色圖層區(qū)域?？傮w上，邊坡在已開(kāi)挖坡體中間土體表層形成了向路基中線“凸”出的形態(tài)，形成了明顯的“鼓包”，預(yù)示著這一塊土體在設(shè)定工況下將有較大變形、破壞，而坡面骨架防護(hù)也遭受相應(yīng)的破壞。坡體底層的炭質(zhì)泥巖層顯示為對(duì)應(yīng)圖色圖層區(qū)域，表明該部位土層相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)較大位移。上述數(shù)值模擬的非線性靜力計(jì)算中，其計(jì)算結(jié)果為不收斂，表明數(shù)值模擬對(duì)于該模型位移的計(jì)算結(jié)果不夠精確，故圖形中顯示的位移值不具備使用價(jià)值。

綜上所述，采用該設(shè)計(jì)方案、連續(xù)強(qiáng)降雨條件下，邊坡后繼發(fā)展情況大致為：土體受水飽和后，邊坡放坡開(kāi)挖的坡面頂部發(fā)生沉陷，坡面中下部土體在重力作用下呈現(xiàn)滑塌，并且滑坡推力擠壞了邊坡坡面的防護(hù)排水設(shè)施，已施工的路床也出現(xiàn)一定的拱起。

2.3加設(shè)擋墻的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性分析

導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定的根本原因在于邊坡滑坡推力較大，故防護(hù)支擋設(shè)計(jì)需重點(diǎn)解決如何使邊坡重新達(dá)到力學(xué)平衡，由此邊坡才能穩(wěn)定。常用的支擋結(jié)構(gòu)物有抗滑樁、樁板式擋墻及其他各類擋土墻等?？够瑯杜c樁板式擋墻施工技術(shù)要求相對(duì)較高，工期較長(zhǎng)。一般擋土墻施工簡(jiǎn)易，技術(shù)含量低；再則，本地區(qū)石料豐富，可考慮就地取材將片石料用于工程建設(shè)，再結(jié)合邊坡周邊施工條件及環(huán)境，在不放坡開(kāi)挖的情況下，可實(shí)施的防護(hù)設(shè)計(jì)方案如下：

(1)涉及無(wú)法拆遷的電力桿線50 m范圍內(nèi)，在坡底設(shè)置有泄水孔的C15片石混凝土擋土墻(如圖6所示)，不再放坡開(kāi)挖；未受到電力桿線影響的挖方邊坡地段按規(guī)范要求分級(jí)放坡開(kāi)挖并及時(shí)做好防護(hù)。

圖6　C15片石混凝土擋土墻橫斷面示意圖

(2)清除坡頂有可能坍陷和滑移的黏土層，并對(duì)坡面、坡頂進(jìn)行漿砌片石封閉；其他邊坡段噴播草籽綠化。

(3)擋土墻預(yù)留花壇位置，以便于種植攀爬植物；采用合格填料分層回填墻背。

(4)在擋土墻施工范圍內(nèi)進(jìn)行基底承載力現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以確定是否需要換填。

根據(jù)上述方案，數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖7～11所示。

圖7　加設(shè)擋土墻后邊坡潛在滑動(dòng)面云圖

圖8　加設(shè)擋土墻后邊坡X方向位移云圖

圖9　加設(shè)擋土墻后邊坡Y方向位移云圖

圖10　加設(shè)擋土墻后邊坡XY方向位移條紋圖

圖11　加設(shè)擋土墻后邊坡?lián)跬翂Ρ澄灰圃茍D

加設(shè)擋土墻后，滑動(dòng)面位置較未加設(shè)時(shí)已發(fā)生改變，滑動(dòng)面顯示位于表層黏土與碎塊石層結(jié)合處、從邊坡最高處至擋土墻頂形成半月形，如圖7所示。邊坡安全系數(shù)為1.43，表明邊坡無(wú)整體性滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置的擋土墻起到了穩(wěn)定邊坡整體的效果。

圖8中圖層呈對(duì)應(yīng)圖色區(qū)域顯示，加設(shè)擋土墻后邊坡內(nèi)部處于碎塊石層位置2.7%的土體有X方向約達(dá)到了4.25×10-4m的變形；約52.2%的土體在X方向上處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖層為對(duì)應(yīng)圖色區(qū)域。圖9中，處于截取邊坡最高處的土體有少量沉降，達(dá)到了2.82×10-2m，而在平面中53.1%的土體在Y方向上處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。圖10中，在平面XY方向上位移最大的區(qū)域在模擬邊坡的最高處，達(dá)到了2.82×10-2m，是由于邊坡沉降造成的；在平面中，達(dá)到2.0×10-2m數(shù)值以上的邊坡土體位移占所模擬邊坡平面面積約2.2%，而52.3%的土體在XY方向上處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，主要是底部的炭質(zhì)泥巖土層和擋土墻區(qū)域，圖層呈對(duì)應(yīng)圖色區(qū)域。

根據(jù)非線性靜力分析工況下的計(jì)算結(jié)果，將擋土墻背面按長(zhǎng)度劃分為10等份，根據(jù)圖11中提取的曲線可知，擋土墻墻背面上發(fā)生的最大位移在墻頂，數(shù)值1.84×10-4m；該最大位移數(shù)值小于擋墻高度的千分之一，可忽略不計(jì)，因此可獲得的結(jié)論是：擋土墻處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，推斷采用該方案下邊坡后期發(fā)展情況為：經(jīng)過(guò)連續(xù)降雨、土體受水飽和，該邊坡中下部位在重力作用下無(wú)明顯改變，邊坡坡頂部呈現(xiàn)極小量的沉降，但不影響到邊坡中下部土體和邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.4方案選定

通過(guò)對(duì)兩個(gè)邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬得出的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果對(duì)比，可以得出：

(1)從圖2與圖7滑動(dòng)面的對(duì)比可知，兩設(shè)計(jì)方案中坡體潛在滑動(dòng)面在加設(shè)擋土墻前后發(fā)生了明顯改變。放坡開(kāi)挖的滑動(dòng)面處于邊坡坡腳附近，加設(shè)擋墻的滑動(dòng)面處于位置表層黏土層與碎塊石層的土層結(jié)合處，后者坡度較平緩，滑動(dòng)面前沿受到了擋土墻的支擋作用。

(2)邊坡以1∶1放坡開(kāi)挖及防護(hù)設(shè)計(jì)方案安全系數(shù)為0.63，加設(shè)擋土墻支護(hù)方案的安全系數(shù)達(dá)到了1.43，符合規(guī)范要求。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明加設(shè)擋土墻措施使得邊坡的整體穩(wěn)定性和安全性得到了更大的保障。

(3)放坡開(kāi)挖造成的主要災(zāi)害是邊坡中下部可能產(chǎn)生塌方，進(jìn)而影響路基安全與質(zhì)量；而加設(shè)擋土墻措施使得靠近路基邊溝附近的邊坡土體能趨于穩(wěn)定，優(yōu)于放坡開(kāi)挖的設(shè)計(jì)方案。

(4)坡底加設(shè)擋土墻后，邊坡坡頂沉降數(shù)值為2.82×10-2m，擋土墻頂位移數(shù)值為1.84×10-4m，說(shuō)明坡底加設(shè)了擋土墻后對(duì)墻體周邊土體穩(wěn)固作用明顯，而對(duì)遠(yuǎn)離坡底的上邊坡坡頂土體維護(hù)作用則較小。

基于安全和質(zhì)量考慮，選定加設(shè)擋土墻為主要措施的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案較為合理。

3　結(jié)語(yǔ)

(1)邊坡以1∶1放坡開(kāi)挖及防護(hù)設(shè)計(jì)方案安全系數(shù)為0.63，而邊坡加設(shè)擋土墻支護(hù)方案的安全系數(shù)達(dá)到了1.43，后者滿足了《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)非正常工況Ⅰ(邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨?duì)顟B(tài)下的工況)路塹邊坡安全系數(shù)須不小于1.1～1.2的要求。從理論上表明，1∶1放坡開(kāi)挖的設(shè)計(jì)方案不適用于該路塹邊坡施工，而加設(shè)擋土墻措施的設(shè)計(jì)方案則適用于該路塹邊坡施工。

(2)邊坡在按1∶1坡比開(kāi)挖方案中設(shè)置的拱形骨架護(hù)坡等結(jié)構(gòu)物與其他地表排水設(shè)施原則上或多或少對(duì)坡面防護(hù)(支擋)、土體的穩(wěn)固有一定作用，而Midas/GTS數(shù)值模擬無(wú)法精確將這些情況輸入數(shù)值模型進(jìn)行模擬，故數(shù)值模擬分析結(jié)果是偏于保守的。

(3)邊坡設(shè)置擋土墻是否合理，其簡(jiǎn)單易行的驗(yàn)證方式是檢算擋土墻的抗滑穩(wěn)定性、抗顛覆穩(wěn)定性、基底應(yīng)力及合力偏心距、墻身截面是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。該方法僅僅通過(guò)定性判定擋土墻的穩(wěn)定來(lái)判定邊坡穩(wěn)定，無(wú)法對(duì)施工后擋土墻的位移、沉降、及各部位受力情況定量描述，具有局限性；而數(shù)值模擬分析方式有效地解決了這些問(wèn)題。

(4)擋土墻設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬分析結(jié)果均表明邊坡頂部存在少量沉降，鑒于安全風(fēng)險(xiǎn)，施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并應(yīng)對(duì)坍陷部位進(jìn)一步挖除或者加強(qiáng)封閉，防止地表水灌入，以免造成邊坡土體內(nèi)部不穩(wěn)定。

(5)通過(guò)本文數(shù)值模擬可知，擋土墻措施對(duì)于短距離、坡度不高的邊坡起到的穩(wěn)固作用優(yōu)于大型、長(zhǎng)度較大、坡度較高的邊坡。

[1]JTG D30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

Slope Protection Design Based on Midas/GTS Numerical Simulation Analysis

LI Da-ji，WEN Qing-jun

(Guangxi Guishang Industrial Investment Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530001)

Under the restricted construction conditions of cutting slope excavation in an expressway，this article respectively established two Midas/GTS two-dimensional numerical models of slope excavation and additional retaining wall under restricted conditions to compare and analyze the slope stability，which can provide the basis for the protection design program selection of this cutting slope，thereby providing the reference for the design and construction of similar projects.

Midas/GTS；Numerical simulation；Slope stability；Program design

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.001

1673-4874(2016)07-0001-05

2016-05-25

李大紀(jì)(1983—)，碩士，研究方向：道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理；

文慶軍(1979—)，高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。