邊坡支護方案數(shù)值模擬對比研究

高佳

（重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

伴隨著交通建設的逐步深入，公路、鐵路規(guī)劃不可避免的要穿越地質(zhì)情況比較復雜的地方，如山地、丘陵等復雜地貌。在這樣的地質(zhì)條件較復雜的地區(qū)進行交通建設，其道路沿線會出現(xiàn)大量的的邊坡工程。這些大規(guī)模的邊坡工程一方面構(gòu)成工程建設的環(huán)境，邊坡修建過程中管理與控制不當會帶來邊坡失穩(wěn)災害，給工程建設帶來沖擊；另一方面它又可能成為工程設施的承載體，工程設施的荷載效應可能會影響和改變它的承載條件和承載環(huán)境[1]。常見的邊坡加固措施有削坡減載技術(shù)、排水與截水措施、支擋措施和錨固措施等[2]。在實際工程中邊坡支護方案的選擇要綜合巖土體性質(zhì)、周邊場地環(huán)境、施工條件和經(jīng)濟性等因素來確定。

本文選用Midas GTS 軟件，選取代表性斷面對某邊坡進行數(shù)值模擬與研究，通過對該邊坡初始狀態(tài)、采用重力式擋墻和分級放坡方案的數(shù)值模擬結(jié)果分析，結(jié)合其支護效果、施工條件等方面最終得出該邊坡的最優(yōu)支護方案。

1 數(shù)值模型的建立

該邊坡為巖質(zhì)邊坡，為簡化計算，對實際工程中的邊坡模型進行簡化，只選取有代表性的斷面建立二維計算模型進行模擬計算。假設邊坡巖土體連續(xù)均勻分布，邊坡巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。該邊坡模型尺寸長60m，高30m，邊坡斷面巖層由上到下依次是強風化石英巖、中風化石英巖和弱風化石英巖，各層巖土體及支護的計算參數(shù)見表1。模型底部采用全約束，即約束其水平和垂直方向的變形，模型兩側(cè)約束其水平方向的變形。

表1 計算參數(shù)表

2 邊坡初始狀態(tài)

利用Midas GTS 有限元軟件中邊坡穩(wěn)定性分析模塊（SMR）對邊坡的初始穩(wěn)定性進行分析[3]。經(jīng)計算，邊坡初始狀態(tài)邊坡塑性區(qū)云圖如圖1 所示，從圖中可知初始狀態(tài)下的邊坡塑性區(qū)面積較大且邊坡的強風化層大多已處于屈服狀態(tài)，在塑性云圖中有明顯呈圓弧形的表面滑動帶，此時邊坡的最大塑性應變值為1.44×10-2。初始狀態(tài)邊坡位移云圖見圖2，從圖中可以看出邊坡最大水平位移出現(xiàn)在強風化巖層，位移為49.22mm，此時邊坡整體發(fā)生的水平位移值較大。初始狀態(tài)下邊坡經(jīng)數(shù)值模擬計算得出安全系數(shù)為1.09，有滑坡災害發(fā)生的可能，存在一定的安全隱患，需要對該邊坡進行采取加固措施。

圖1 初始狀態(tài)邊坡塑性區(qū)云圖

圖2 初始狀態(tài)邊坡水平位移云圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 重力式擋土墻支護方案分析

重力式擋土墻是依靠自身的重力來承受土的側(cè)壓力，一般用漿砌片砌筑或者混凝土灌注而成。該邊坡為巖質(zhì)邊坡，擋土墻的持力層為中風化石英巖，具備足夠的承載能力，可采用重力式擋墻支護結(jié)構(gòu)。本設計方案中的擋土墻采用C30 混凝土整體澆筑而成，重力式擋土墻墻高5m，頂寬1m，底寬2m。經(jīng)計算，重力式擋墻支護時邊坡塑性云圖如圖3 所示，從圖中可知塑性區(qū)的面積與初始狀態(tài)相比明顯減小，此時邊坡的最大塑性應變值為1.20×10-2。邊坡位移云圖如圖4 所示，從圖中可知支護后的邊坡最大水平位移為34.37mm 出現(xiàn)在強風化巖層，與初始狀態(tài)下的邊坡相比較，最大水平位移減小約15mm，同時支護后的安全系數(shù)由1.09 增大到1.20。經(jīng)重力式擋土墻支護后的邊坡整體的穩(wěn)定性有所提高。

圖3 重力式擋墻支護邊坡塑性區(qū)云圖

圖4 重力式擋墻支護邊坡水平位移云圖

3.2 分級放坡方案分析

分級放坡取決于巖土體的類型和周邊場地環(huán)境是否開闊。該邊坡坡高15m，直接放坡坡率過大會導致邊坡巖土體不穩(wěn)定。本設計方案采用分兩級放坡，每7.5m 放一級，放坡坡率分別為1:1 和1：1.5，馬道寬1.5m。經(jīng)計算，采用分級放坡方案后邊坡塑性區(qū)云圖如圖5 所示，從圖中可知，塑性區(qū)分布面積與初始狀態(tài)和重力式擋土墻支護相比明顯減小，此時邊坡的最大塑性應變值為7.23×10-3，安全系數(shù)為1.47。邊坡位移云圖如圖6 所示，從圖中可以看出支護后的邊坡最大水平位移為16.08mm 也出現(xiàn)在強風化巖層。與重力式擋墻支護方案相比，分級放坡的最大塑性應變值和水平位移明顯減小，安全系數(shù)提高，故采用這種支護方案更為安全。現(xiàn)將各支護方案的最大水平位移和安全系數(shù)繪制到同一坐標系中，如圖7 所示，從圖中可看出初始狀態(tài)邊坡、重力式擋墻支護、分級放坡三種工況下邊坡的最大水平位移依次減小，同時邊坡的安全系數(shù)也在逐漸的增大。

圖5 分級放坡邊坡塑性區(qū)云圖

圖6 分級放坡邊坡水平位移云圖

圖7 各方案穩(wěn)定性對比圖

4 結(jié)論

本文通過建立二維數(shù)值模型，利用Midas GTS 軟件對初支狀態(tài)、重力式擋土墻支護和分級放坡的邊坡進行穩(wěn)定性分析計算，通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果的分析可取得以下結(jié)論：

4.1 初始狀態(tài)的邊坡整體的塑性分布面積較大，最大塑性應變值為1.44×10-2，位于強分化和中分化巖層交界處。重力式擋墻和分級放坡兩種支護方案的最大塑性應變分別減小為1.20×10-2和7.23×10-3，分級放坡方案對邊坡整體塑性區(qū)分布面積及塑性應變值減小的最為明顯。

4.2 初始狀態(tài)邊坡的最大水平位移為49.22mm，安全系數(shù)為1.09，兩種支護方案下邊坡最大水平位移分別減小14.85mm 和33.14mm，安全系數(shù)分別增至1.20 和1.47。結(jié)果表明分級放坡方案對邊坡穩(wěn)定性的提升最為明顯，且該邊坡周邊具備放坡條件，因此分級放坡為該邊坡的最優(yōu)支護方案。