基于FLAC 3D的邊坡支護(hù)方案優(yōu)化研究

劉贊

摘要：為研究錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)在高陡邊坡上的支護(hù)效果，文章以某省道路段一側(cè)高陡邊坡支擋工程為例，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在地震工況下的穩(wěn)定性，同時(shí)建立有錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)和僅有預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，評價(jià)其邊坡的加固效果。結(jié)果表明：在地震作用下，坡表處位移較大，且隨高程增大，坡表位移明顯呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，邊坡的潛在滑動面大致出現(xiàn)在碎石土和基巖的交界位置，從坡腳貫通至坡頂，坡腳位置的土體發(fā)生一定的剪切滑移，坡頂位置出現(xiàn)了一定的張拉應(yīng)力；經(jīng)過錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)以及預(yù)應(yīng)力錨索加固之后，邊坡的位移有了明顯減小，其潛在滑動面并未發(fā)生貫通；與預(yù)應(yīng)力錨索加固相比，經(jīng)錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)加固后，邊坡的位移與剪應(yīng)變增量值均更小，表明錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)在提升邊坡的穩(wěn)定性和安全性上具有更大的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：高陡邊坡；FLAC 3D；強(qiáng)度折減法；穩(wěn)定性分析；錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)

中圖分類號：U416.1+4 A 16 050 4

0 引言

隨著我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，我國交通工程建設(shè)逐漸開始向山區(qū)發(fā)展，但是相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工均存在諸多問題，高陡邊坡穩(wěn)定性的問題就是其中之一［1］。常用的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法主要包括極限平衡方法［2］和數(shù)值分析法［3］。數(shù)值分析方法主要包括局部破壞判別法、有限元應(yīng)力法以及強(qiáng)度折減法，在實(shí)際的邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中，強(qiáng)度折減法更具有使用價(jià)值。但強(qiáng)度折減法也有明顯的缺陷，如邊坡失穩(wěn)判據(jù)不易選擇等。目前也有眾多學(xué)者進(jìn)行改進(jìn)強(qiáng)度折減法的研究。蔣先平等［5］采用物質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)度折減法對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，對比研究了常用的4種邊坡失穩(wěn)判據(jù)在計(jì)算邊坡安全系數(shù)時(shí)的合理性及適用性。王思源等［6］采用動態(tài)強(qiáng)度折減法來搜索邊坡滑動面，并提出了可兼顧邊坡張拉破壞與剪切破壞的改進(jìn)矢量和法。在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析后，下一步便是確定邊坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式選擇。邊坡支護(hù)形式包括起支擋作用的擋土墻、抗滑樁和起錨固作用的系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿（索）等。在實(shí)際的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有時(shí)也會采用支擋與錨固共同作用的結(jié)構(gòu)類型，如錨拉樁、預(yù)應(yīng)力錨索框格梁等，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了越來越多的新式支擋結(jié)構(gòu)。

本文以某省道路段一側(cè)高陡邊坡支擋工程為例，利用FLAC 3D軟件對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在地震工況下的穩(wěn)定性，同時(shí)建立有錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)和僅有預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的模型，評價(jià)其在地震工況下對邊坡的加固效果。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 工程概況

本文依托某省道路段一側(cè)高陡邊坡支擋工程。該工程位置為中高山地貌，地形復(fù)雜，該邊坡的實(shí)際坡度約為50°，邊坡表面風(fēng)化嚴(yán)重且風(fēng)化厚度較深，上覆層主要組成巖性為碎石土，下伏基巖的巖性主要為變質(zhì)砂巖。工點(diǎn)位置的工程地質(zhì)圖如圖1所示。查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），該邊坡處的地震動加速度幅值為 0.10 g，地震烈度為Ⅶ度?？紤]坡體坡度較陡且風(fēng)化嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差，對省道產(chǎn)生直接威脅，故需分別計(jì)算自然工況和地震工況下的邊坡穩(wěn)定性，以確定是否需要進(jìn)行邊坡支護(hù)。

1.2 有限差分強(qiáng)度折減法

有限差分強(qiáng)度折減法是在重力加速度不變的情況下，按照式（1）～（2）的方式對巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c、φ進(jìn)行折減與更新，逐步降低巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，通過多次迭代計(jì)算，求得邊坡巖土體臨界破壞狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，此時(shí)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的比值，即為邊坡的安全系數(shù)Fs［7-8］。

ci=1Fsc（1）

φi=arctan1Fstanφ--（2）

本文利用FLAC 3D軟件，基于有限差分強(qiáng)度折減法，通過對邊坡位移及剪應(yīng)變增量分布情況的分析，確定邊坡的潛在滑動面，求得邊坡的安全系數(shù)Fs。

1.3 數(shù)值模型的建立

利用FLAC 3D軟件建立計(jì)算模型并基于有限差分強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

由圖2可知，X軸方向上的計(jì)算長度為 65 m；Y軸方向上的計(jì)算長度為 10 m；在Z軸方向上，右側(cè)的最大高度為 50 m。邊坡巖土體單元為實(shí)體單元，共劃分 74 838個(gè)網(wǎng)格單元和 54 330個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊坡巖土體的本構(gòu)關(guān)系選取為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則選取為摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。

通過對現(xiàn)場取得的巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到該邊坡模型的巖土體力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

1.4 邊界條件

在進(jìn)行動力計(jì)算時(shí)，因地震過程中邊界存在波的反射，會對動力結(jié)果產(chǎn)生影響，而FLAC 3D軟件提供兩種邊界條件來降低影響，即粘滯邊界和自由場邊界。粘滯邊界是在模型邊界的法向和剪切方向上設(shè)置獨(dú)立的阻尼器，當(dāng)入射角度 ＞30°時(shí)，對接近邊界體波的吸收幾乎完全有效。自由場邊界是提供與無限模型中相同的條件，加強(qiáng)自由場運(yùn)動，使邊界保持其非反射特性，因此向上傳播的平面波在邊界上沒有畸變。在進(jìn)行動力計(jì)算時(shí)將兩種邊界模型相結(jié)合，在模型底部設(shè)置靜置邊界，模型四周設(shè)置自由場邊界。

1.5 地震波的輸入

根據(jù)已有的研究成果，地震引發(fā)邊坡破壞的關(guān)鍵在于水平地震力，相較于水平地震力，豎直地震力對邊坡的影響微乎其微［9］，因此本文在進(jìn)行地震工況的計(jì)算時(shí)，僅考慮水平地震力的作用，選取的輸入地震波類型為“汶川大地震”地震波。對地震波進(jìn)行濾波和基線校正，然后進(jìn)行歸一化處理，設(shè)置地震波持續(xù)時(shí)間為 25 s。地震波加速度時(shí)程曲線如圖3所示。

2 地震條件下邊坡的穩(wěn)定性分析

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），該邊坡處的地震動加速度幅值為 0.10 g，地震烈度為Ⅶ度，故對模型施加 0.10 g的地震荷載，分析邊坡在地震條件下的穩(wěn)定性。

根據(jù)FLAC 3D軟件的計(jì)算結(jié)果，得到地震作用下邊坡的總位移云圖和邊坡剪應(yīng)變增量分布如圖4和圖5所示。

由圖4可知，在PGA= 0.1 g的地震作用下，坡表處位移較大，且隨高程增大坡表位移明顯呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，邊坡的最大位移值達(dá)到了 9.09 cm，坡表最大值出現(xiàn)在距離坡腳直線距離 40 m處。

邊坡中剪應(yīng)變增大會加重邊坡的塑性變形，從而增大邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。由圖5可知，在PGA= 0.1 g的地震作用下，最大剪應(yīng)變增量大致出現(xiàn)在碎石土和基巖的交界位置，從坡腳貫通至坡頂。坡腳位置的土體發(fā)生一定的剪切滑移，坡頂位置出現(xiàn)了一定的張拉應(yīng)力，這是因?yàn)榛瑤虏客馏w剪切滑移的連帶作用。通過強(qiáng)度折減法求得此時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.01，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10001-2016）［10］的相關(guān)要求，該邊坡在自然工況下的安全系數(shù)不滿足地震工況下安全系數(shù)≥1.2的限值要求，因此，需選取恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)方法對該邊坡進(jìn)行支護(hù)。

3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)及效果評價(jià)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過對原始邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，考慮通過采用錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)為該邊坡進(jìn)行治理。錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)主要由預(yù)應(yīng)力錨索和坡表的襯砌構(gòu)成。預(yù)應(yīng)力錨索將邊坡的上覆土體與基巖固定在一起，從而限制邊坡上部不穩(wěn)定巖土體的變形，提高邊坡的穩(wěn)定性。在FLAC 3D軟件中，一般通過cable單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索，通過liner單元模擬襯砌，故此處采用cable單元和liner單元結(jié)合的方法對錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。為方便評價(jià)該結(jié)構(gòu)對邊坡支護(hù)的效果，同時(shí)設(shè)置了一組僅有相同預(yù)應(yīng)力錨索的對照組模型進(jìn)行計(jì)算。建立加固后的邊坡數(shù)值模型如圖6所示。

其中，預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)長度為 20 m，預(yù)應(yīng)力錨索相互之間橫向間距和縱向間距均為 4 m。預(yù)應(yīng)力錨索錨固參數(shù)以及襯砌單元力學(xué)參數(shù)分別見表2、表3。

3.2 支護(hù)效果評價(jià)

根據(jù)FLAC 3D軟件的計(jì)算結(jié)果，得到地震作用下兩種不同加固方式加固后邊坡的位移云圖、坡表水平位移曲線和邊坡剪應(yīng)變增量分布云圖，分別如圖7～9所示。

如圖7、圖8所示，在PGA=0.1 g的地震作用下，錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)加固之后，邊坡最大總位移為 1.9 cm，最大水平位移為 1.3 cm，而在預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡的最大總位移為 3.3 cm，最大水平位移為 2.2 cm。與未做防護(hù)的邊坡的最大總位移值 9.09 cm相比，經(jīng)過錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)以及預(yù)應(yīng)力錨索加固之后，邊坡的位移有了明顯減小。

由圖9可知，在PGA=0.1 g的地震作用下，經(jīng)過錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)加固或預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡，其最大剪應(yīng)變增量均僅分布在坡腳附近的碎石土和基巖的交界位置，并未發(fā)生貫通，說明在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下，尤其是預(yù)應(yīng)力錨索對上部土體的錨固作用，使得邊坡上部保持穩(wěn)定，邊坡未遭到破壞。與預(yù)應(yīng)力錨索加固相比，經(jīng)錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)加固后，邊坡的剪應(yīng)變增量更小。綜上所述，錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)因其添加了高強(qiáng)度的主動防護(hù)網(wǎng)，在提升邊坡的穩(wěn)定性和安全性上具有更大的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文以某省道路段一側(cè)高陡邊坡的實(shí)際邊坡支擋工程為例，利用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其在地震工況下的穩(wěn)定性，同時(shí)建立有錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)和僅有預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的模型，評價(jià)其在地震工況下對邊坡的加固效果。所得結(jié)論如下：

（1）在地震作用下，未經(jīng)防護(hù)的邊坡坡表處位移較大，且隨高程增大坡表位移明顯呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，邊坡的最大位移值達(dá)到了 9.09 cm，坡表最大值出現(xiàn)在距離坡腳直線距離 40 m處。邊坡的潛在滑動面大致出現(xiàn)在碎石土和基巖的交界位置，從坡腳貫通至坡頂，坡腳位置的土體發(fā)生一定的剪切滑移，坡頂位置出現(xiàn)了一定的張拉應(yīng)力，這是因?yàn)榛瑤虏客馏w剪切滑移的連帶作用。

（2）與未做防護(hù)的邊坡的最大總位移值相比，經(jīng)過錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)以及預(yù)應(yīng)力錨索加固之后，邊坡的位移有了明顯減小。經(jīng)過加固后的邊坡，其潛在滑動面僅分布在坡腳附近的碎石土和基巖的交界位置，并未發(fā)生貫通。與預(yù)應(yīng)力錨索加固相比，經(jīng)錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)加固后，邊坡的位移與剪應(yīng)變增量值均更小，表明錨墩式主動防護(hù)網(wǎng)因添加了高強(qiáng)度的主動防護(hù)網(wǎng)，在提升邊坡的穩(wěn)定性和安全性上具有更大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

［1］鄭穎人，趙尚毅.邊（滑）坡工程設(shè)計(jì)中安全系數(shù)的討論［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（9）： 1 937-1 940.

［2］蔣 鑫，朱奇炯，陳 滔，等.基于極限平衡法的路堤穩(wěn)定性概率分析方法比較［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，50（2）：331-335，341.

［3］鄭穎人.巖土數(shù)值極限分析方法的發(fā)展與應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（7）： 1 297-1 316.

［4］李澤洲.四川省道216線某高邊坡穩(wěn)定性分析和加固措施研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2021.

［5］蔣先平，張 鵬，盧藝偉，等.物質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)度折減法邊坡失穩(wěn)判據(jù)選擇方法［J］.地質(zhì)科技通報(bào)，2022，41（2）：113-122.

［6］王思源，童小東.基于動態(tài)強(qiáng)度折減-改進(jìn)矢量和法的邊坡穩(wěn)定性分析［J/OL］.巖土工程學(xué)報(bào)，2022-09-02.

［7］鄭穎人，趙尚毅.有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（19）： 3 381-3 388.

［8］鄭穎人，趙尚毅.邊（滑）坡工程設(shè)計(jì)中安全系數(shù)的討論［J］． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006（9）： 1 937-1 940.

［9］宋丹青，黃 進(jìn)，劉曉麗.地震作用下層狀巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，48（5）：113-120.

［10］JTGD30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

收稿日期：2022-10-20