某高填方加筋邊坡變形特征數(shù)值模擬

采用土工合成材料加固邊坡的方法已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在邊坡土體中加入土工格柵而形成的加筋復(fù)合土能夠有效地提高邊坡的穩(wěn)定性，節(jié)約大量的土石方工程量和占地面積，同時(shí)縮短施工時(shí)間，減小邊坡的變形，有利于邊坡自身穩(wěn)定和上方建筑物及相關(guān)設(shè)施的正常運(yùn)營(yíng)。

加筋土技術(shù)發(fā)展至今，在我國(guó)的工程領(lǐng)域運(yùn)用廣泛，制定了一系列相應(yīng)的規(guī)范［1-3］，但筋土之間的相互作用機(jī)理復(fù)雜，還需要展開進(jìn)一步的研究［4-6］。目前國(guó)內(nèi)在擋土墻、橋臺(tái)等工程領(lǐng)域的加筋土理論方面開展了較廣泛的研究，但在邊坡工程領(lǐng)域的加筋土理論研究還不多，實(shí)際工程的設(shè)計(jì)與施工主要由現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，給實(shí)際工程帶來(lái)較大的不確定性風(fēng)險(xiǎn)。今采用FLAC2D軟件對(duì)某機(jī)場(chǎng)高填方加筋土邊坡進(jìn)行有限差分分析，探討土工格柵加筋邊坡的變形和格柵的受力特征，研究土工格柵加筋對(duì)邊坡滑動(dòng)面形成的阻抑作用，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 加筋邊坡概況

某高填方加筋邊坡位于某機(jī)場(chǎng)西北側(cè)，地形坡度為30°～45°，坡頂?shù)狡履_最大高度約90 m，邊坡填筑體組成主要為開山碎石土，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。按1∶1.38的坡率放坡后坡腳移至原山坡坡腳附近，邊坡整體坡高90 m，分9級(jí)邊坡，每級(jí)邊坡10 m，采用土工格柵加筋對(duì)邊坡填筑體進(jìn)行加固處理。

2 數(shù)值模擬方案

高填方加筋土邊坡所用的材料沿邊坡走向相對(duì)均勻，故可視為平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理。邊坡回填土和基巖的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，計(jì)算模型的屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，土工格柵采用Cable單元來(lái)模擬。

邊坡模型長(zhǎng)250 m，高110 m，其中地基高20 m，坡高90 m。邊坡模型以125×110進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立了9 372個(gè)網(wǎng)格。邊坡模型邊界設(shè)置條件：在模型兩側(cè)的邊界對(duì)土體的水平方向進(jìn)行約束，在模型底部對(duì)土體的豎向和水平方向同時(shí)進(jìn)行約束，模型豎向施加重力加速度。邊坡回填土為碎石土，基巖為中風(fēng)化粉砂巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表1，土工格柵的物理力學(xué)參數(shù)及筋土間的接觸參數(shù)見表2。

表1 邊坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 土工格柵及筋土間的接觸參數(shù)

通過數(shù)值模擬，分析加筋間距分別為0.8、1.0、1.2 m情況下，加筋邊坡的變形、穩(wěn)定性與筋材的軸力變化特征。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 加筋邊坡的變形分析

不同加筋間距下高填方邊坡的最大豎向位移和水平位移見圖1。

圖1 不同加筋間距下邊坡最大豎向和水平位移

數(shù)值模擬結(jié)果顯示：1）加筋邊坡的最大豎向位移區(qū)域處于邊坡坡頂處，為加筋邊坡的最大沉降區(qū)，隨著土工格柵加筋間距的增加，最大豎向位移量逐漸增大，格柵加筋間距從0.8 m增加到1.2 m時(shí)，加筋土邊坡的豎向最大位移從58 mm增大為62.9 mm；2）加筋邊坡的最大水平位移集中在邊坡第八級(jí)臺(tái)階附近，隨著土工格柵加筋間距的增加，最大水平位移量逐漸增大，格柵加筋間距從0.8 m增加到1.2 m時(shí)，加筋邊坡的水平最大位移從59.2 mm增大到62.6 mm。

由此可見，加筋間距對(duì)高填方邊坡的變形有一定影響，通過縮小加筋間距，增強(qiáng)加筋作用，可以適當(dāng)減小邊坡的豎向和水平向變形。

3.2 加筋邊坡的穩(wěn)定性分析

不同加筋間距下高填方邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽糠植家妶D2。

從圖2中可以看出：1）不同加筋間距情況下，加筋土內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的剪切變形帶，都在加筋邊坡回填土與基巖交界處出現(xiàn)了一條明顯的剪應(yīng)變?cè)隽考袔?，從坡頂逐漸延伸至坡腳但并未貫通，在第4級(jí)和第7級(jí)臺(tái)階處出現(xiàn)了兩段明顯的剪應(yīng)變集中帶；2）當(dāng)加筋間距為0.8 m時(shí)，剪應(yīng)變集中帶上最大剪應(yīng)變?cè)隽恐禐?.1，而當(dāng)加筋間距增加為1.2 m時(shí)，剪應(yīng)變集中帶上最大剪應(yīng)變?cè)隽恐翟龃笾?.35，隨著加筋間距增大，剪應(yīng)變?cè)隽棵黠@增大。

圖2 不同加筋間距下邊坡剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

可見，通過土工格柵加筋處理，明顯提高了碎石回填土邊坡抵抗剪切變形的能力，且當(dāng)加筋間距縮小時(shí)，可以增強(qiáng)加筋邊坡抵抗剪切變形的能力。土工格柵加筋改變了邊坡的破壞形式，且由于加筋土與基巖在力學(xué)性質(zhì)上的顯著差異性，導(dǎo)致兩者交界處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成剪切變形帶，因此加筋土與基巖界面處成為加筋邊坡一個(gè)最危險(xiǎn)的潛在滑動(dòng)面。3種不同加筋間距下，均在基本相同的位置處發(fā)生剪切變形帶中斷現(xiàn)象。這與原巖質(zhì)邊坡在該處存在一個(gè)較寬的開挖臺(tái)階密切相關(guān)，結(jié)合土工格柵的加筋作用，有效阻斷了邊坡中剪應(yīng)變集中帶的貫通，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 筋材的軸力分析

不同加筋間距情況下，第3級(jí)和第9級(jí)邊坡中部同一位置的土工格柵筋材軸力變化情況見圖3。

從圖3可以看出：1）不同加筋間距情況下，邊坡中同一部位的筋材所受軸力沿加筋方向的變化趨勢(shì)基本一致，但第3級(jí)邊坡中筋材的最大軸力分布在遠(yuǎn)離坡面處（即填土與基巖交界處），而第9級(jí)邊坡中筋材的最大軸力分布在靠近加筋邊坡的中部。2）在第3級(jí)邊坡中，加筋間距為0.8 m時(shí)，筋材軸力最大值為3 610 N；加筋間距為1.2 m時(shí)，筋材軸力最大值為4 320 N，軸力增大19.7%。3）在第9級(jí)邊坡中，加筋間距為0.8 m時(shí)，筋材軸力最大值為4 610 N；加筋間距為1.2 m時(shí)，筋材軸力最大值為5 690 N，軸力增大23.4%。

圖3 不同加筋間距下的格柵軸力

可見，加筋間距的變化對(duì)筋材軸力的影響不大，軸力分布與加筋邊坡剪切帶的分布基本一致，其中第3級(jí)邊坡的最大軸力正好分布在剪應(yīng)變集中的填土與基巖交界處，而第9級(jí)邊坡位于坡頂，主要存在張拉變形，剪應(yīng)變集中在加筋土內(nèi)部。

4 加筋邊坡設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范（MH/T 5027—2013）》［7］，邊坡安全系數(shù)在天然工況下取1.30，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，得到加筋邊坡的典型設(shè)計(jì)剖面，見圖4。

圖4 加筋邊坡典型設(shè)計(jì)剖面

筋材采用HDPE土工格柵，極限抗拉強(qiáng)度為100 kN/m。邊坡的加筋間距設(shè)置為頂部6～9級(jí)邊坡的間距為1.0 m，底部1～5級(jí)邊坡的間距為0.8 m，自下而上，第1級(jí)邊坡筋材長(zhǎng)度為20 m，第2、3級(jí)邊坡的筋材長(zhǎng)度為25 m，第4級(jí)邊坡的筋材長(zhǎng)度為20 m，第5、6級(jí)邊坡的筋材長(zhǎng)度為30 m，第7～9級(jí)邊坡的筋材長(zhǎng)度為25 m，筋材鋪設(shè)距離不夠?qū)挼膮^(qū)域需要在原邊坡開挖臺(tái)階，保證筋材的鋪設(shè)。同時(shí)為了保證填土體的有效排水，在每級(jí)邊坡底部設(shè)200 mm厚的級(jí)配碎石排水層，邊坡體內(nèi)部鋪設(shè)豎向排水墊，以保證填土體內(nèi)部的地表入滲水及時(shí)排出。

5 結(jié)語(yǔ)

采用FLAC2D軟件對(duì)某機(jī)場(chǎng)高填方加筋邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，得出如下主要結(jié)論：

1）加筋邊坡的最大變形發(fā)生在坡頂處，剪切變形帶主要集中在基巖與填筑體交界面處，是潛在滑動(dòng)面所在位置，通過土工格柵加筋，且適當(dāng)縮小加筋間距，可以明顯提高碎石回填土邊坡抵抗剪切變形的能力，同時(shí)由于原巖質(zhì)邊坡開挖臺(tái)階的存在，可以有效阻斷邊坡中貫通滑動(dòng)面的形成。

2）加筋邊坡中加筋間距的變化對(duì)筋材軸力分布的影響不大，筋材軸力分布與邊坡剪切帶的分布基本一致，最大軸力主要分布在剪應(yīng)變集中的填土與基巖交界處。

3）提出了加筋邊坡的典型設(shè)計(jì)剖面，筋材采用極限抗拉強(qiáng)度為100 kN/m的HDPE土工格柵，邊坡頂部6～9級(jí)邊坡的加筋間距為1.0 m，底部1～5級(jí)邊坡的加筋間距為0.8 m。