貴陽紅黏土邊坡數(shù)值模擬分析及防護技術(shù)研究*

王磊，陳開圣，張穎，蔣洪，蔣浩

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.中國建筑第四工程局有限公司 工程技術(shù)研究院（技術(shù)中心）， 廣東 廣州 510665)

0 引言

我國紅黏土主要分布于南方，如廣西、貴州、云南、廣東及湖南等省份，由于紅黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性質(zhì)，而且南方地區(qū)雨水多，降雨誘發(fā)、干濕循環(huán)等復(fù)雜氣候環(huán)境導(dǎo)致紅黏土邊坡產(chǎn)生病害[1]。一些紅黏土邊坡按照規(guī)范設(shè)計卻在早期運營階段甚至是施工階段出現(xiàn)了破壞，工程技術(shù)人員對此尚不能給出很好的解釋[2]。紅黏土邊坡的破壞與一般的土質(zhì)邊坡有很大差別，表現(xiàn)在其破壞多從坡腳開始，呈“一窩一窩”的坍塌，其滑動面類似于“兒”字的左撇，不是典型的圓弧滑動，滑動剪切出口很少進入路基，導(dǎo)致路基拱起或推移等；而且通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)紅黏土邊坡破壞主要為沖溝、風(fēng)化剝落、坍塌、溜塌及整體失穩(wěn)破壞，但大部分屬淺層滑動[3?5]。其破壞模式與特征復(fù)雜，采用圓弧條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與實際不符。

邁達斯GTS NX是一套針對巖土和橋隧專業(yè)的巖土數(shù)值模擬軟件[6]，可以采用3D/2D模式，能夠分析多種問題，適應(yīng)不同用戶的需求，用戶能便捷建立復(fù)雜的網(wǎng)格模型，模擬不同工況下邊坡的穩(wěn)定情況，得出不同工況下的安全系數(shù)[7]。邊坡穩(wěn)定分析就是通過計算分析邊坡內(nèi)部的剪切應(yīng)力和剪切強度，計算邊坡的穩(wěn)定性[8]。Midas GTS NX中邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法，其原理是將邊坡巖土體的強度參數(shù)不斷折減，直致邊坡達到破壞，此時計算出邊坡的滑動面和安全系數(shù)[9?10]。強度折減法在有限元數(shù)值模擬分析中不需要事先判別滑動面，方便快捷，因此被廣泛應(yīng)用在邊坡計算分析中[11]。

在紅黏土邊坡的防護措施方面，公路、鐵路等部門通過大量的工程實踐，提出了擋土墻、抗滑樁等多種防護措施，針對同一個邊坡不同的設(shè)計人員常會有多種方案，且技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境效果差別較大。但對不同的防護方案的適用范圍、效果分析、經(jīng)濟環(huán)境比較等方面的研究較少，而這又是工程技術(shù)人員的需要。因此，本文通過數(shù)值模擬不同防護措施下紅黏土邊坡安全系數(shù)，對比分析不同防護方案的優(yōu)劣，推選出紅黏土邊坡適宜的防護措施。

1 紅黏土與支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗和閱讀文獻資料，確定的紅黏土基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)資料顯示，錨桿一般采用HRB335和HRB-400型號的鋼筋，混凝土采用C30混凝土，本文擋土墻、抗滑樁和框架梁均采用C30混凝土材料，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，確定支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 紅黏土基本物理力學(xué)參數(shù)

表2 各種支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 紅黏土邊坡模擬分析

根據(jù)氣象資料，貴陽市6月份日降雨量最大為54.3mm，最長降雨時間為12 h，即模擬邊坡采用降雨量和降雨時間分別為54.3mm（暴雨級別）和12 h。在降雨狀況下模擬不同防護形式的防護效果，對比分析各種支護方式的優(yōu)劣。

擬定1級、2級紅黏土邊坡坡率分別為1:1.5，1:1，坡總高20m。根據(jù)鄭穎人等關(guān)于有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用研究可知，當(dāng)坡腳右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想準(zhǔn)確[12]。將模型按理論在CAD中畫出，利用Midas GTS NX導(dǎo)入DXF文件功能，自動生成邊坡外圍輪廓線，通過室內(nèi)土工試驗和查詢規(guī)范選取合適的材料參數(shù)，設(shè)置邊坡土體和各防護結(jié)構(gòu)的材料和屬性，對土層和各支護結(jié)構(gòu)賦予設(shè)置好的材料屬性并采用三角形+四邊形單元劃分網(wǎng)格；巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型計算，支護結(jié)構(gòu)采用彈性模型，邊界條件固定前后左右和底部，并施加重力場和降雨邊界，建立如圖1所示的幾何模型。

圖1 2級邊坡幾何模型

2.1 無支護

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定永久性邊坡一般工況下邊坡安全系數(shù)須不小于1.35。模型模擬邊坡為2級紅黏土邊坡，1級坡坡率1:1.5，2級坡坡率1:1，坡高20m，邊坡設(shè)計參數(shù)見表1和表2。強度折減法模擬計算結(jié)果表明：無防護邊坡安全系數(shù)為0.9，邊坡不穩(wěn)定。從圖2可以看出，無防護邊坡土體應(yīng)力從上至下逐漸增加，符合地應(yīng)力賦存規(guī)律；2級邊坡剪應(yīng)力等值線從坡體深處向臨空面呈弧形延伸，容易發(fā)生剪切破壞，1級邊坡在放坡到1:1.5坡率下，剪應(yīng)力等值線曲線呈均勻?qū)訝?，并未向臨空面延伸，剪應(yīng)力在坡腳未出現(xiàn)局部匯聚現(xiàn)象，說明放坡能有效減緩剪應(yīng)力分布。從圖2～圖4可以看出，邊坡在進行放坡后雖改變剪應(yīng)力分布，但無防護條件下，邊坡自身自重及雨水沖刷條件下使坡體產(chǎn)生較大位移變形，邊坡最大位移為97mm，形成一個潛在滑動面，塑性貫通區(qū)從坡腳延伸至坡頂（見圖4），邊坡發(fā)生破壞。綜上所述，放坡能夠有效增強邊坡穩(wěn)定性，改善土體內(nèi)部剪應(yīng)力分布，減緩坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象，但放坡局限性較大，對周邊環(huán)境及邊坡高度要求高，大多數(shù)工程中很難滿足放坡要求。

圖2 無防護剪應(yīng)力云圖

圖3 無防護位移云圖

2.2 擋土墻支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，本次模擬擋土墻設(shè)置高度為6.5m，墻體用C30混凝土筑成，墻寬度為2m，埋深為1.5m，采用實體單元模型，參數(shù)見表2。

圖4 無防護塑性區(qū)云圖

擋土墻模擬計算后安全系數(shù)為1.2，邊坡基本穩(wěn)定，根據(jù)模擬結(jié)果顯示，擋土墻的布設(shè)有效地抑制了坡腳處的位移，使坡體趨向穩(wěn)定，模擬計算后安全系數(shù)為1.2，相對無防護下的安全系數(shù)0.9提高了33個百分點。從圖5～圖7可以看出，擋土墻有效地抵抗了邊坡土壓力，剪應(yīng)力分布集中在擋土墻墻身處，對邊坡向外滑出起到阻擋作用。且剪應(yīng)力等值線在擋土墻處出現(xiàn)折斷，沒有形成向坡外剪出的圓弧狀剪應(yīng)力線。從圖7塑性區(qū)可以看出，加設(shè)擋土墻后，邊坡滑動面位置發(fā)生改變，呈弧形從坡中部延伸至擋土墻墻頂，與未防護下滑動面從坡頂延伸至坡腳相比，邊坡穩(wěn)定性提高，說明擋土墻對邊坡整體穩(wěn)定起到了一定效果。

圖5 擋土墻位移云圖

圖6 擋土墻剪應(yīng)力云圖

圖7 擋土墻塑性區(qū)云圖

2.3 抗滑樁支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，本次模擬采用高為8m，截面為1m×1m的抗滑樁防護，抗滑樁材料為C30混凝土，采用實體單元建模，其結(jié)構(gòu)物理參數(shù)見表2，鋼筋布置見圖8。

圖8 抗滑樁鋼筋布置

抗滑樁支護模擬計算后安全系數(shù)為1.22，比無支護時增加0.32，邊坡穩(wěn)定性提高，邊坡基本穩(wěn)定。從圖9和圖10可以看出，抗滑樁的布設(shè)對邊坡滑動起到很好的抑制作用，邊坡位移大幅度減小，最大位移由無防護的97mm減小到61mm左右，剪應(yīng)力集中在樁體中部，剪應(yīng)力等值曲線在樁體處折斷，說明樁體阻礙邊坡土體下滑，且剪應(yīng)力等值線在樁底部向坡里轉(zhuǎn)折隨后再向坡外轉(zhuǎn)折，形成一個“泡狀”凹槽，表明抗滑樁底部周圍坡體剪應(yīng)力增大，滑坡體的推力通過樁傳遞到滑動面以下的穩(wěn)定巖層，整體上提高了邊坡的穩(wěn)定性，從圖11亦可看出，邊坡塑性貫通區(qū)面積明顯減少，說明樁體抑制住了土體變形，有效防止邊坡向下滑動。但防治效果是有限的，塑性貫通區(qū)隨時間推移可能延伸至坡頂，依然存在滑塌隱患。

圖9 抗滑樁位移云圖

圖10 抗滑樁剪應(yīng)力云圖

圖11 抗滑樁塑性區(qū)

2.4 錨桿支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，錨桿設(shè)直徑為0.025m，施加200 kN預(yù)應(yīng)力，錨桿間距為3m，植入深度1級坡為15m，2級坡為13m，自由段1級坡為9m，2級坡為8m，錨固段1級坡為6m，2級坡為5m，植入角度為15°，參數(shù)見表2。

錨桿支護模擬計算的邊坡安全系數(shù)為1.13，邊坡基本穩(wěn)定，但相比于規(guī)范1.35的要求，尚不能滿足，從圖12～圖14可看出，邊坡最大位移明顯減小，錨桿提高了土體抗剪能力，剪應(yīng)力等值線在加固區(qū)無法形成連續(xù)曲線，且在錨桿頂端形成圓圈狀，錨桿對土體起到一定加固作用，但效果并未達最佳，從圖14可知，邊坡塑性區(qū)相比無支護時有明顯減少，且塑性區(qū)向坡體深處錨桿錨固段后偏移，說明錨桿加固使表層土與深層土黏合在一起，錨桿將下滑力傳遞至深層穩(wěn)定土層中，增強抗剪抗下滑能力，但塑性區(qū)范圍較大，有滑塌可能。而在錨桿端頭出現(xiàn)塑性區(qū)集中現(xiàn)象，是因為錨桿預(yù)應(yīng)力加固土體使周邊土體出現(xiàn)變形，這種變形在坡面未防護下土體表層可能向臨空面方向變形，對邊坡穩(wěn)定性而言存在安全隱患。

圖12 錨桿位移云圖

圖13 錨桿剪應(yīng)力云圖

圖14 錨桿塑性區(qū)云圖

2.5 框架梁支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》，框架梁單元尺寸不小于3m×3m，框架梁采用植入式梁單元進行析取，框架梁截面為3m×3m，材料為C30混凝土，物理參數(shù)見表2。

從模型計算得出框架梁防護安全系數(shù)為1.15，邊坡基本穩(wěn)定，從圖15可以看出，邊坡最大位移從未防護時的97mm減小至63mm，框架梁抑制了邊坡位移，從圖16可以看出，剪應(yīng)力等值曲線在坡體內(nèi)并未形成連續(xù)弧線，且在坡腳出現(xiàn)折回，說明框架梁有效抵抗了坡內(nèi)土體產(chǎn)生的剪應(yīng)力，但因坡腳無支檔結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，容易發(fā)生剪切破壞；由圖17可知，在框架梁防護下，邊坡塑性貫通區(qū)明顯減少，且并未與坡頂貫通，塑性區(qū)沿框架梁向上擴展，框架梁下土體與框架梁脫離，框架梁變形，說明框架梁抑制土體變形，有效防止邊坡向下滑動。由此可見，框架梁支護對坡體穩(wěn)定性提高有一定的效果，但還不能滿足規(guī)范要求。

圖15 框架梁位移云圖

圖16 框架梁剪應(yīng)力云圖

圖17 框架梁塑性區(qū)云圖

3 結(jié)論

（1）強度折減法模擬計算結(jié)果表明，無防護邊坡安全系數(shù)為0.9，最大位移為97mm，邊坡不穩(wěn)定；放坡雖能夠有效增強邊坡穩(wěn)定性，改善土體內(nèi)部剪應(yīng)力分布，減緩坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象，但放坡局限性較大，對周邊環(huán)境及邊坡高度要求高，大多數(shù)工程很難滿足放坡要求。

（2）擋土墻、抗滑樁、錨桿和框架梁支護下模擬計算的安全系數(shù)分別為1.2、1.22、1.13、1.15，最大位移分別為61.8mm、61.3mm、61.9mm和63mm，即單一支護方式抗滑樁支護最優(yōu)，其次是擋土墻和框架梁支護，最差是錨桿支護，但安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。

（3）對于2級紅黏土防護僅僅采用單一支檔結(jié)構(gòu)并不能達到良好的效果，擋土墻、抗滑樁、錨桿和框架梁雖能加固邊坡，提升邊坡穩(wěn)定性，增強邊坡土體抗下滑能力，但單一的支護在邊坡中很難全面保證邊坡的安全性以及美觀性。

（4）各防護條件下邊坡最大位移較無防護時平均減小32mm。單一支護雖可以提高紅黏土邊坡穩(wěn)定性，但安全系數(shù)均達不到規(guī)范要求，今后應(yīng)考慮模擬研究復(fù)合支護方式下能否滿足規(guī)范要求。