基于PLAXIS的某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析

周 凱

(廣西八桂工程監(jiān)理咨詢有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)進(jìn)程的不斷發(fā)展，邊坡工程越來(lái)越廣泛地服務(wù)于基礎(chǔ)建設(shè)，如公路、鐵路、橋梁等。巖體邊坡開(kāi)挖，其土體穩(wěn)定性依賴于支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，土體變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)自身的承載能力等因素影響著邊坡工程施工過(guò)程的安全性。因此，開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)土體位移量和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必要的。目前，有限元數(shù)值模擬分析的方法被廣泛地應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，研究人員利用有限元分析軟件，應(yīng)用數(shù)值模擬方法來(lái)揭示土體變化機(jī)理和進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)。王小潔、姚遠(yuǎn)[1-2]模擬深基坑開(kāi)挖全過(guò)程，且和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)做了對(duì)比，得到了較為理想的結(jié)果；于升才、黃傳勝等[3-4]研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，分析了構(gòu)筑物模型的尺寸效應(yīng)和深基坑的變形趨勢(shì)；林陳安攀、郝志斌等[5-6]結(jié)合澳門(mén)某跨海橋梁工程案例，結(jié)合PLAXIS 3D軟件，研究鋼板樁圍堰和“坑中坑”項(xiàng)目，得到了內(nèi)支撐系統(tǒng)的變形規(guī)律。但由于錨桿、框架梁和巖土體之間的作用機(jī)理復(fù)雜，目前應(yīng)用數(shù)值分析方法研究錨桿框架梁等支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡土體作用機(jī)理尚有不足，在實(shí)際工程中比較依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，并不能準(zhǔn)確獲得支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗土體的應(yīng)力。

本文基于某高速公路邊坡工程項(xiàng)目案例，采用荷蘭有限元軟件PLAXIS 2D對(duì)巖石邊坡支護(hù)加固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，準(zhǔn)確計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，驗(yàn)證各施工階段的穩(wěn)定性，以技術(shù)指導(dǎo)其施工，為類(lèi)似工程和場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目為某地高速公路，場(chǎng)地開(kāi)挖于該地某巖體邊坡處，該巖體地勢(shì)呈西高東低，地表橫坡為35°～45°。該地邊坡基巖整體為強(qiáng)風(fēng)化巖。巖體風(fēng)化強(qiáng)烈且裂隙發(fā)育，坡體巖表碎石層較為松散，由于坡度較為陡峭，強(qiáng)風(fēng)化巖層下存在坡體滑動(dòng)面，具有潛在不穩(wěn)定性。選邊坡上部路肩點(diǎn)為A點(diǎn)，邊坡下部路肩點(diǎn)為B點(diǎn)，邊坡計(jì)算斷面如圖1所示，圖中斷面長(zhǎng)120 m、高75 m。

圖1 坡體斷面圖

2 軟件及巖土參數(shù)的選用

有限元計(jì)算軟件采用PLAXIS 2D，在一般設(shè)置中選用平面應(yīng)變模型，15個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，地球重力為9.8 m/s2。巖土材料參數(shù)如表1所示。

表1 巖土材料參數(shù)表

3 有限元模型的建立

在PLAXIS項(xiàng)目屬性中的模型類(lèi)型選擇平面應(yīng)變，單元類(lèi)型選擇15節(jié)點(diǎn)單元用以模擬巖土材料，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)，用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿自由段，用土工格柵結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿錨固段，用板結(jié)構(gòu)單元模擬框架梁。在坡體分步施工階段中施加預(yù)應(yīng)力于錨桿上?？蚣芰汉涂够瑯兜膭偠染硎緸閱挝粚挾葎偠龋^桿錨固段(土工格柵)不能承受壓力，軸向剛度表示為力每單位寬度，錨桿自由段為彈簧單元，軸向剛度用力的單位輸入。建立模型后賦值各土體單元和結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)，完成后生成網(wǎng)格圖，如圖2所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表2～5所示。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分圖

表2 框架梁材料參數(shù)表(框架梁)

表3 錨桿自由段材料參數(shù)表

表4 錨桿錨固段材料參數(shù)表

表5 抗滑樁材料參數(shù)表

4 計(jì)算工況模擬

計(jì)算模擬了巖石坡體重力加載產(chǎn)生初始應(yīng)力、開(kāi)挖上部邊坡、開(kāi)挖下部邊坡、施加下部邊坡錨桿、施加上部邊坡荷載、施加抗滑樁等工況，得出現(xiàn)狀坡體、分階段施工支護(hù)前后、施加上部荷載工況、上部荷載疊加工況的穩(wěn)定系數(shù)，并得出了框架梁的內(nèi)力、錨桿以及抗滑樁的內(nèi)力。分階段開(kāi)挖邊坡巖石土體通過(guò)停用巖土體類(lèi)組實(shí)現(xiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)及坡頂荷載通過(guò)激活各結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)。各工況均通過(guò)對(duì)巖土體強(qiáng)度參數(shù)折減，直至極限狀態(tài)、坡體破壞，最終折減系數(shù)即為穩(wěn)定系數(shù)。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 各工況條件下的破壞形式及穩(wěn)定系數(shù)

計(jì)算中對(duì)邊坡分級(jí)開(kāi)挖及支護(hù)進(jìn)行了模擬分析，得到了分步施工初始階段重力加載變形網(wǎng)格圖(如圖3所示)和其他各階段總位移陰影圖(如圖4～9所示)。

從圖3可以看出，土體通過(guò)重力加載的方式產(chǎn)生初始應(yīng)力后，同時(shí)產(chǎn)生初始變形，有限元網(wǎng)格上邊沿明顯略低于有限元模型原邊坡線上邊沿，網(wǎng)格上邊沿整體向下發(fā)生位移說(shuō)明巖石土體漸漸地向斜坡下方位移，有產(chǎn)生滑動(dòng)的傾向。從圖4可以看出，最大位移處于巖石土體邊坡下部區(qū)域，有沿斜坡線向下發(fā)生位移的趨勢(shì)，并且可看出白色區(qū)域帶為邊坡土體潛在的滑動(dòng)面；而邊坡上部幾乎不發(fā)生位移，相對(duì)于邊坡下部位移要小很多。如表6所示，在加載巖石土體重力后，雖然此時(shí)坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.415，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但考慮到坡體上部有道路、暴雨等外部荷載施加，對(duì)坡體上部進(jìn)行公路開(kāi)挖，卸載土體。

圖3 重力加載變形網(wǎng)格圖(放大5倍)

圖4 重力加載總位移陰影圖

表6 各工況下穩(wěn)定系數(shù)一覽表

從圖5可以看出，在坡體上部進(jìn)行開(kāi)挖后，最不利變形位置依然是邊坡下部區(qū)域，但是最大位移從1.2 m增到了4.5 m，說(shuō)明邊坡上部土體被開(kāi)挖后，邊坡下部局域坡體力學(xué)平衡狀態(tài)被打破，坡體下部各點(diǎn)應(yīng)力重新被調(diào)整，同時(shí)發(fā)生較大變形，達(dá)到新的力學(xué)平衡狀態(tài)。由圖5可見(jiàn)，邊坡下部是一片開(kāi)挖松弛區(qū)域，隨上部開(kāi)挖而產(chǎn)生較大位移，但是潛在滑動(dòng)面位置則幾乎沒(méi)有變化。從表6可以看出，坡體穩(wěn)定系數(shù)為1.420，發(fā)生了微小的變化，說(shuō)明雖然邊坡發(fā)生階段性較大的滑移趨勢(shì)，但是土體邊坡未有實(shí)質(zhì)性的破壞，穩(wěn)定性未有明顯變化。

圖5 開(kāi)挖上部邊坡總位移陰影圖

從圖6、表6可以看出，開(kāi)挖邊坡下部公路后，坡體最不利變形位置區(qū)域擴(kuò)大至邊坡上部開(kāi)挖公路下方的區(qū)域，最大位移量從4.5 m增大到4.8 m，產(chǎn)生微小增長(zhǎng)量。由此可見(jiàn)，隨著邊坡下部土體的開(kāi)挖，土體松弛區(qū)域沿邊坡線向上擴(kuò)展，潛在滑動(dòng)面向上伸展，雖然此階段施工時(shí)對(duì)邊坡上部公路的穩(wěn)定性造成潛在的影響，但此階段坡體穩(wěn)定系數(shù)不減反增至1.553，分析其原因是因?yàn)殚_(kāi)挖下部邊坡后，邊坡土體得到減重，坡度變得更平緩，土體應(yīng)力得到更均勻的重分布，抗滑力逐漸增大，位移量未有明顯變化，因此使得穩(wěn)定系數(shù)增大，邊坡依然處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 開(kāi)挖下部邊坡總位移陰影圖

從圖7可以看出，在邊坡下部施加錨桿和框架梁，并且每根錨桿施加200 kN的預(yù)應(yīng)力后，邊坡最不利位置發(fā)生了明顯變化，從原來(lái)貫穿在邊坡上下部的區(qū)域移動(dòng)到了錨桿下方區(qū)域，最大位移從4.8 m減小到了3.2 m，潛在滑動(dòng)面縮短。從表6可知，該階段穩(wěn)定系數(shù)增長(zhǎng)到1.636，表明預(yù)應(yīng)力錨桿和框架梁對(duì)邊坡支護(hù)的效果顯著。

圖7 施加錨桿總位移陰影圖

如圖8所示，在邊坡上部施加20 kN/m2的荷載模擬公路外加荷載，發(fā)現(xiàn)潛在滑動(dòng)面的位置不變，坡體最不利位置的最大位移增長(zhǎng)了兩倍，而錨桿以上坡體幾乎不產(chǎn)生位移，穩(wěn)定系數(shù)也未有較大變化。由此可見(jiàn)，該階段坡體滑動(dòng)力隨著荷載的施加而增大，但是坡體抗滑力也隨著滑動(dòng)面的遷移而增大，表明錨桿和框架梁還在明顯地發(fā)揮著邊坡支護(hù)效能，土體處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖8 施加上部荷載總位移陰影圖

如圖9所示，施加抗滑樁后，主要變化在于最不利位置的位移減小了一半，穩(wěn)定系數(shù)幾乎保持不變，土體保持穩(wěn)定狀態(tài)，表明抗滑樁具備良好的邊坡支護(hù)作用。

圖9 施加抗滑樁總位移陰影圖

為體現(xiàn)邊坡各施工階段的穩(wěn)定系數(shù)演變過(guò)程，作A、B點(diǎn)各個(gè)施工階段的位移-穩(wěn)定系數(shù)曲線，如圖10和圖11所示。為了更清楚地表達(dá)曲線的變化程度，此處將圖標(biāo)X軸最大值設(shè)為A、B點(diǎn)處最大位移，分別為0.6 m和1.6 m。由圖10～11可見(jiàn)，各階段穩(wěn)定系數(shù)曲線變化的趨勢(shì)相似，基本上呈先線性增大后緩慢減小的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定且>1，表明各施工階段巖土體極限應(yīng)力均大于許用應(yīng)力，有利于巖土體穩(wěn)定。

圖10 各施工階段在A點(diǎn)處位移-穩(wěn)定系數(shù)曲線圖

圖11 各施工階段在B點(diǎn)處位移-穩(wěn)定系數(shù)曲線圖

有限元數(shù)值模擬表明，預(yù)應(yīng)力錨桿、框架梁以及抗滑樁對(duì)邊坡支護(hù)效果顯著。錨桿對(duì)邊坡加固后，大幅度地減少了邊坡開(kāi)挖量；坡面框架梁限制了坡面變形與破壞；錨桿注漿段很好地與巖石內(nèi)部錨固，有效控制坡體深層破壞。所以邊坡的整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性可以得到很好的保障，確保坡體施工的安全。

5.2 結(jié)構(gòu)單元內(nèi)力分析

5.2.1 框架梁及錨桿

框架梁的力學(xué)作用主要是將錨桿錨固力傳遞給巖土體，同時(shí)將邊坡巖土體的側(cè)向巖土壓力傳遞給錨桿，橫梁的作用增加了框架梁的剛度，有利于邊坡穩(wěn)定[7]。雖然PLAXIS 2D無(wú)法模擬橫梁結(jié)構(gòu)，但是可根據(jù)縱梁、錨桿以及巖土之間的相互作用，得出縱梁內(nèi)力(如表7所示)，以及錨桿的內(nèi)力(如表8所示)。由于PLAXIS 2D計(jì)算結(jié)構(gòu)單元所得到的內(nèi)力往往會(huì)比實(shí)際偏大，所以以下數(shù)值僅作為參考。

表7 框架梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表

初始建模時(shí)錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為200 kN，沿錨桿分布每米為200 kN÷2.5 m=80 kN/m。而從表8可見(jiàn)，開(kāi)挖下部坡面錨桿最大內(nèi)力為803.9 kN/m，最小內(nèi)力為361.1 kN/m。由此可知，土體施加給錨桿的荷載比較大，可達(dá)到初始預(yù)應(yīng)力的4～10倍。

表8 錨桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表

5.2.2 抗滑樁

該工程案例中，由于施加錨桿后已經(jīng)使土體邊坡趨于基本的穩(wěn)定狀態(tài)，土體應(yīng)力已完全分布于錨桿上，錨桿承載能力完全足夠抵抗土體應(yīng)力，再施加抗滑樁已未能完全發(fā)揮抗滑樁抵抗土體應(yīng)力的效果，所以由表9可見(jiàn)，抗滑樁上最大彎矩和最大剪力都不足夠大。

表9 抗滑樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元軟件PLAXIS 2D對(duì)本案例邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬穩(wěn)定性分析，在初始階段土體穩(wěn)定性為安全狀態(tài)之下，進(jìn)行分步開(kāi)挖、支護(hù)后，土體穩(wěn)定系數(shù)線性增大，潛在滑動(dòng)面逐漸向坡腳遷移，土體穩(wěn)定性和安全性不斷得到提高。同時(shí)，在不同工況下對(duì)坡體預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁、抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了自身的承載能力，足夠抵抗土體施加給其4～10倍的內(nèi)力。本文結(jié)果可為邊坡支護(hù)過(guò)程的預(yù)測(cè)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)值經(jīng)驗(yàn)，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿框架梁設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。