高速公路路塹邊坡穩(wěn)定性分析方法對比及支護研究

薛祖杰

（重慶市璧山區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設委員會，重慶 402760）

引言

由于大量高速公路修建需穿越山嶺地區(qū)，大量的路塹邊坡被修建。路塹開挖后導致土體應力重分布，尤其當巖層為順層條件時，由于巖層抗滑土體減少，導致邊坡整體抗滑力下降，結(jié)構(gòu)面的強度不滿足自身重力所產(chǎn)生的下滑力，極易發(fā)生邊坡滑坡，從而引發(fā)相應次生災害，因此路塹邊坡穩(wěn)定性問題不可忽視。目前國內(nèi)關(guān)于路塹邊坡問題已有不少學者展開了研究[1-3]，包括膨脹性土、濕陷性黃土、砂質(zhì)巖質(zhì)等各種土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析，并取得了許多研究成果。

現(xiàn)階段對于邊坡穩(wěn)定性分析的專業(yè)分析軟件非常多，包括基于有限元的ANASYS、ABAQUS，基于離散法的PFC、基于有限差分法的FLAC等等，近十年在邊坡工程中得到較多應用[4-5]。應用較多的還有GEO-SLOPE軟件系列，從1977年投入市場之后，發(fā)展至今已成為整套巖土工程模擬計算軟件，其中包括基于極限平衡法的SLOPE/W在內(nèi)9個專業(yè)模塊。同樣還有在計算分析中最常見的基于強度折減法的Midas/GTS有限元分析軟件，其具有強大的線性、非線性分析能力，能夠很大程度上模擬絕大部分的巖土工程，且計算結(jié)果相對準確、安全。

1 工程概況

高速公路路塹邊坡位于盆地丘陵、低山地區(qū)，高約15 m，是一個巖層外傾的順層邊坡，邊坡土層由兩層巖土體組成。主要以凝灰?guī)r組成，風化程度較高，上層為強風化凝灰?guī)r層，巖層風化程度較高；其下為中風化凝灰?guī)r，中風化凝灰?guī)r巖體完整性較好。巖土參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

2 邊坡初始狀態(tài)穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1.1 極限平衡法

極限平衡法又稱垂直條分法，是根據(jù)邊坡上滑體或滑體分塊的力學平衡原理（即靜力平衡）來分析邊坡在各種狀態(tài)下的受力破壞情況。工程應用中邊坡穩(wěn)定性分析及計算主要有瑞典法、Morgenstern-Price法、Janbu法、Bishop法、Spencer法等國家規(guī)范所推薦的。選取瑞典條分法來計算該邊坡初始狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)，見圖1。

圖1 條分法計算

瑞典條分法不考慮土條間相互作用力（即，Xi=Xi+1和Yi=Yi+1），瑞典條分法對應的安全系數(shù)計算：

2.1.2 強度折減法

強度折減法是將土體的抗剪強度指標在外荷載不變的前提下進行不斷折減，使土體處于極限平衡時的折減系數(shù)即是邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[6-7]。通過不斷調(diào)整巖土體的黏聚力c及內(nèi)cos摩 擦角 ，將巖土體的強度參數(shù)折減Ftrial倍后得到新的強度參數(shù) （Cnext及next）代入有限元中進行計算，當計算得到邊坡失穩(wěn)時，相應的折減系數(shù)Ftrial即為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。強度折減法：

2.2 穩(wěn)定性系數(shù)Fs計算對比

2.2.1 極限平衡法

根據(jù)瑞典條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，計算時暫不考慮邊坡坡頂?shù)钠渌Y(jié)構(gòu)及荷載作用。圖2中給定邊坡滑裂面的圓心坐標為（35.3，24.9），半徑為20.8 m。邊坡坡高H為10 m，邊坡的坡比為1n=11.5。并利用GEO-SLOPE軟件包中的SLOPE/W程序?qū)υ撨吰碌姆€(wěn)定性進行計算分析，得到潛在滑動面見圖3。

圖2 計算模型

圖3 邊坡潛在滑裂帶（m）

2.2.2 強度折減法

利用Midas/GTS軟件中邊坡穩(wěn)定性分析模塊（SRM）對該邊坡進行模擬分析，計算模型見圖4，計算得到初始狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布，見圖5。

2.2.3 結(jié)果對比

分析初始狀態(tài)下邊坡的塑性區(qū)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，該邊坡在初始狀態(tài)下的塑性區(qū)主要分布在強風化凝灰?guī)r層，分布面積較大，其最大塑性應變?yōu)?.42×10-1，位于邊坡坡腳處。由圖5可看出該潛在的表層滑動帶呈圓弧狀，與由極限平衡法計算得到的邊坡潛在滑裂帶分布基本一致，可知初始狀態(tài)下該邊坡存在失穩(wěn)風險，失穩(wěn)破壞形式為平面剪切滑動。計算得到邊坡穩(wěn)定性結(jié)果見表2。

圖4 初始狀態(tài)下邊坡網(wǎng)格模型

圖5 初始狀態(tài)下邊坡塑性區(qū)分布

表2 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

對比兩種方法計算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs，發(fā)現(xiàn)基于強度折減法計算得到的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，相比極限平衡法的計算結(jié)果偏大。結(jié)果存在差異主要是由于數(shù)值模擬中橫向約束作用均增大了坡體的抗滑力，同時計算過程中其邊界條件產(chǎn)生的端部效應。因此瑞典條分法計算結(jié)果偏于安全，相比之下基于強度折減法的有限元模型計算更符合邊坡穩(wěn)定性實際情況。

3 邊坡支護分析

3.1 格構(gòu)錨固支護

格構(gòu)錨固支護是一種新興的輕型復合加固措施，其中包括縱橫交錯的縱梁和橫梁對坡面進行表層防護，再借助高強度錨桿或預應力錨索對土層進行深層加固。格構(gòu)錨固加固措施可以充分發(fā)揮基巖的強度，使得潛在滑動體和基巖形成一個整體受力基體。使用格構(gòu)梁可以增加錨桿加固影響范圍，提高邊坡巖土體的力學性能，控制邊坡變形，格構(gòu)錨固見圖6。其中錨桿長度為6 m，坡腳設置4 m高的重力式擋土墻，支護參數(shù)及截面和接觸特性參數(shù)見表3、表4。

表3 支護參數(shù)

圖6 格構(gòu)錨固

表4 截面和接觸特性參數(shù)

3.2 有限元模型

模型建立過程中錨桿采用的植入式桁架單元模擬，格構(gòu)梁采用梁單元模擬。邊坡坡面為自由邊界，下部邊界為固定約束，左右兩側(cè)為橫向約束。網(wǎng)格劃分采取線性梯度與等分形式相結(jié)合方式，基于Midas/GTS軟件建立網(wǎng)格模型見圖7。

圖7 邊坡支護網(wǎng)格模型

3.3 支護結(jié)果分析

計算得到格構(gòu)錨固支護下邊坡的塑性區(qū)分布見圖8。

圖8 支護后邊坡塑性區(qū)分布

由圖8可以看出，相比對邊坡進行支護前的初始狀態(tài)下，由于格構(gòu)梁與錨桿的支護作用，塑性區(qū)分布面積有所減小，分布在強風化凝灰?guī)r層。邊坡最大塑性應變值變?yōu)?.44×10-3，位于擋土墻腳處。相比初始狀態(tài)的1.42×10-1邊坡最大塑性應變值大大減小。此時該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.46，穩(wěn)定性系數(shù)相比初始狀態(tài)提高了35%?？梢姼駱?gòu)錨固復合加固形式對土體的支護效果更有效，相比僅噴射混凝土等支護措施支護性能更強。分析認為結(jié)構(gòu)中預應力錨桿能夠起到很好的抗滑性能，承擔邊坡的下滑力，而格構(gòu)梁則極大的增加了與坡體之間的接觸面積，有效的將預應力經(jīng)過格構(gòu)梁分散在邊坡上，使坡體受力更加均勻，增強整個錨固體的剛度，所需的基底壓力更小，更加高效可靠的發(fā)揮支護作用。由此可見該格構(gòu)錨固支護方案大大提高了該邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

（1）基于極限平衡法的瑞典條分法計算得到的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs均小于基于強度折減法的有限元Midas/ GTS軟件計算結(jié)果；瑞典條分法計算結(jié)果偏于安全，基于強度折減法的有限元模型計算更符合邊坡穩(wěn)定性實際情況。（2）格構(gòu)錨固支護前后，邊坡整體塑性區(qū)分布面積及最大塑性應變值都有所減小，最大塑性應變值由初始狀態(tài)的1.42×10-1減小至3.44×10-3，位于邊坡坡腳處附近。（3）初始狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，存在失穩(wěn)風險；格構(gòu)錨固支護方案下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.46，邊坡穩(wěn)定性大大提升。