基于GEOSTUDIO軟件邊坡加固效果研究

高延香

（陜西省延安市寶塔區(qū)水資源與節(jié)約用水中心,陜西 延安 716000）

1 前言

邊坡失穩(wěn)對(duì)工程安全影響巨大,對(duì)此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究,夏怡等[1]認(rèn)為考慮降雨對(duì)邊坡失穩(wěn)研究時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮巖土體飽和-非飽和滲流作用,通過(guò)此作用計(jì)算的安全系數(shù)更符合工程實(shí)際。陶偉等[2]研究了降雨對(duì)川藏線邊坡失穩(wěn)的影響,通過(guò)Geo-studio 數(shù)值模擬和簡(jiǎn)布條分法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明：兩者計(jì)算結(jié)果差值較少,說(shuō)明可以利用Geo-studio 數(shù)值模擬邊坡安全性數(shù)據(jù),為邊坡治理提供參考。趙海峰[3]通過(guò)對(duì)地質(zhì)分區(qū),再對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法,計(jì)算得到了邊坡穩(wěn)定性更符合實(shí)際,此方法也可供類(lèi)似的礦山邊坡工程提供參考。苗高飛[4]利用SLIDE 軟件對(duì)邊坡進(jìn)行治理,如削幫壓腳、施加錨桿和排水系統(tǒng)等進(jìn)行了技術(shù)指導(dǎo),并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí),此研究方法能夠合理有效地治理邊坡失穩(wěn)。劉彥等[5]對(duì)棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,利用了Spencer 法、M-P 法和GLE 法3 種極限平衡方法,分析了4 種工況邊坡的穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明：以上三種方法分析結(jié)果接近,說(shuō)明工程應(yīng)用其中三種方法均可用。賀云等[6]對(duì)含軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：軟弱夾層可降低邊坡穩(wěn)定性,對(duì)滑動(dòng)面形狀也有影響。趙允坤等[7]提出粒子群優(yōu)化模型對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明：此模型計(jì)算的邊坡穩(wěn)定性接近真實(shí)值,具有較高的預(yù)測(cè)精度。孫世國(guó)等[8]利用臨界滑移場(chǎng)原理,對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：反壓回填能有效控制邊坡變形,將穩(wěn)定性系數(shù)提高1.4 倍。劉士全等[9]研究了黃土邊坡的穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明：填料和地基土性質(zhì)對(duì)黃土邊坡的穩(wěn)定性有較大的影響。苗高飛[10]對(duì)三種振動(dòng)類(lèi)型下的邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：工程爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響最大,并針對(duì)三種振動(dòng)類(lèi)型提出相應(yīng)的治理措施和方案。

以上研究已取得了大量的成果,但是邊坡失穩(wěn)后的治理和設(shè)計(jì)方案是否合理,是否滿(mǎn)足工程要求,針對(duì)此問(wèn)題本文結(jié)合一實(shí)際邊坡工程,通過(guò)GEO-STUDIO 軟件對(duì)邊坡的滑動(dòng)面、穩(wěn)定性系數(shù)和治理方案進(jìn)行研究。

2 工程概況

該邊坡位于陜西省延安市內(nèi),經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘察巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1,采用傳統(tǒng)的坡面噴砼、施加土釘和設(shè)計(jì)抗滑樁的方式進(jìn)行加固。

圖1 邊坡未加支護(hù) （單位：m）

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

數(shù)值模擬采用GEOSTUDIO 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,模型中砼采用C20,C20 砼定義為彈性材料,重度為32.1 kN/m3,體積橫量為7.63×106kN/m3,剪切模量為6.63×106kN/m3,泊松比為0.21；土釘采用鋼單元,鋼單元定義為彈性材料,重度為49.1 kN/m3,體積橫量為6.23×1011kN/m3,剪切模量為5.53×1011kN/m3,泊松比為0.20；抗滑樁采用C30 砼,C30 砼定義為彈性材料,重度為38.4 kN/m3,體積橫量為8.23×106kN/m3,剪切模量為7.43×106kN/m3,泊松比為0.20。

3.2 邊坡初始安全性和剩余下滑力

采用GEOSTUDIO 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,邊坡的計(jì)算的滑面結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 未加支護(hù)邊坡滑面計(jì)算結(jié)果

由圖2可知,邊坡在沒(méi)有支護(hù)的情況下,安全系數(shù)為1.023,說(shuō)明邊坡基本處于半穩(wěn)定狀態(tài),若沒(méi)有地震和暴雨作用,邊坡是能夠達(dá)到穩(wěn)定,但是安全儲(chǔ)備不夠,此狀態(tài)依然需要加固,以達(dá)到不對(duì)人民生命安全和財(cái)產(chǎn)安全造成威脅的目的。

結(jié)合圖2滑動(dòng)面,利用瑞點(diǎn)條分法計(jì)算的剩余下滑力見(jiàn)表2。

表2 自然工況下的剩余下滑力

由表2可知,因?yàn)榈谝粋€(gè)條塊下滑力小于抗滑力,因此暫不計(jì)滑坡推力,僅第11 條塊下滑力小于抗滑力,說(shuō)明第11個(gè)條塊已處于抗滑段,在此處后方設(shè)置抗滑樁有利于抗滑樁的穩(wěn)定,經(jīng)計(jì)算邊坡在自然工況下的滑坡推力為1630.7 kN/m。

3.3 支護(hù)后的邊坡及其安全系數(shù)

采用支護(hù)后的邊坡見(jiàn)圖3,在一級(jí)平臺(tái)左上方設(shè)計(jì)抗滑樁,對(duì)坡體進(jìn)行土釘?shù)氖┘?對(duì)坡面噴砼,本文的研究重點(diǎn)是邊坡的穩(wěn)定性,因此暫不考慮土拱效應(yīng)的影響[11-14]。

圖3 支護(hù)后的邊坡 （單位：m）

施加支護(hù)措施后邊坡的形態(tài)見(jiàn)圖4。

圖4 支護(hù)后邊坡的安全系數(shù)圖

由圖4可知,邊坡的安全系數(shù)為1.389,按照工程要求可知,邊坡的安全系數(shù)至少應(yīng)當(dāng)超過(guò)1.40,因此可認(rèn)為施加的安全措施是達(dá)不到工程要求的。

3.4 提高安全系數(shù)應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合表2計(jì)算的抗滑樁的尺寸和布置方式是滿(mǎn)足工程要求的,且由圖3可知,抗滑樁位于坡腳,正處滑動(dòng)面范圍內(nèi),滑動(dòng)面也穿過(guò)了抗滑樁的中部,說(shuō)明抗滑樁的長(zhǎng)度也是滿(mǎn)足工程要求的。

另一方面,離坡腳處土釘是穿過(guò)滑動(dòng)面的,但是越往上土釘?shù)拈L(zhǎng)度明顯是沒(méi)有穿過(guò)滑動(dòng)面的,土釘?shù)拈L(zhǎng)度設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)分錨固段和自由段,自由段長(zhǎng)度與滑動(dòng)面位置有關(guān),錨固段長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)結(jié)合土壓力和錨固力進(jìn)行綜合比選,由此可知,土釘?shù)腻^固段長(zhǎng)度是明顯不足的,進(jìn)而導(dǎo)致土釘?shù)脑O(shè)計(jì)長(zhǎng)度不足,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不足會(huì)導(dǎo)致土釘不能發(fā)揮阻止滑動(dòng)面進(jìn)一步破壞的作用,因此可結(jié)合滑動(dòng)面范圍重新設(shè)計(jì)土釘長(zhǎng)度。

由以上的分析可知,抗滑樁的尺寸是滿(mǎn)足工程實(shí)際需求,土釘?shù)拈L(zhǎng)度不足,不能起到阻止滑動(dòng)形成的作用,可適當(dāng)提高土釘長(zhǎng)度,以提高邊坡安全系數(shù)。

3.5 數(shù)值模擬總結(jié)

邊坡在自然工況下穩(wěn)定性是0.998,若不發(fā)生較大的地震或暴雨?duì)顟B(tài),邊坡的穩(wěn)定性是可以保障的,但是安全儲(chǔ)備不夠,需對(duì)邊坡進(jìn)行加固,邊坡安全系數(shù)須達(dá)到1.40。

自然工況下計(jì)算邊坡的潛在滑動(dòng)區(qū)域,結(jié)合滑動(dòng)區(qū)域進(jìn)行剩余下滑力的計(jì)算,結(jié)合計(jì)算的結(jié)果對(duì)抗滑樁進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的抗滑樁的尺寸是滿(mǎn)足工程要求的。

土釘?shù)脑O(shè)計(jì)長(zhǎng)度中錨固長(zhǎng)度是明顯不足的,進(jìn)而導(dǎo)致土釘?shù)恼w長(zhǎng)度是不足的,土釘長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致土釘無(wú)法發(fā)揮其阻滑效果,進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)后邊坡的安全系數(shù)不足。

進(jìn)一步處置措施中,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加土釘?shù)脑O(shè)計(jì)長(zhǎng)度,以保證土釘發(fā)揮其應(yīng)有的阻滑作用,進(jìn)而達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。

4 結(jié)論

本文對(duì)支護(hù)后邊坡的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)邊坡進(jìn)行模擬,結(jié)合模擬結(jié)果進(jìn)行支護(hù)措施的設(shè)計(jì),可得到如下的結(jié)論：

（1）邊坡在自然工況下安全系數(shù)為0.998,為了保證邊坡不在惡劣環(huán)境下失穩(wěn),須對(duì)邊坡進(jìn)行加固,加固措施選擇土釘+抗滑樁的組合加固形式；數(shù)值模擬計(jì)算邊坡潛在滑動(dòng)面,并結(jié)合此滑動(dòng)區(qū)域進(jìn)行剩余下滑力的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明此滑坡推力較少,抗滑樁采用常規(guī)尺寸即可。

（2）結(jié)合數(shù)值模擬和剩余下滑力結(jié)果,設(shè)計(jì)的抗滑樁尺寸滿(mǎn)足工程要求,但是土釘?shù)脑O(shè)計(jì)尺寸明顯偏小,導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)過(guò)小；加固后的邊坡安全系數(shù)為1.389,小于工程要求的安全系數(shù),可通過(guò)適當(dāng)提高土釘長(zhǎng)度的方法,提高邊坡安全系數(shù)。

（3）本文僅從安全系數(shù)方面對(duì)邊坡加固措施進(jìn)行研究,沒(méi)有從位移、受力、剪應(yīng)變區(qū)域進(jìn)行研究,此方面的研究有待進(jìn)一步深入。