基于數(shù)值模擬的高邊坡加固效果分析

摘 要：福州市某高邊坡削坡后存在安全隱患問題，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理并驗(yàn)證加固方案的效果。在對(duì)該高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，選取一個(gè)代表性剖面構(gòu)建邊坡三維網(wǎng)格模型，采用有限差分法分析邊坡加固前后在天然工況和暴雨工況下的塑性區(qū)和位移量。在天然工況和暴雨工況下，邊坡加固后的塑性區(qū)面積相比加固前有明顯的減少；天然工況下邊坡加固前和加固后的最大位移量分別為29.6 mm和10.8 mm，暴雨工況下邊坡加固前和加固后的最大位移量分別為54.9 mm和27.9 mm；坡面6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加固后的位移量相比加固前的位移量均大幅下降。數(shù)值模擬結(jié)果表明，格構(gòu)梁加錨桿的加固方案可有效抑制邊坡變形，提升邊坡整體穩(wěn)定性。該研究對(duì)類似高邊坡加固方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；格構(gòu)梁錨桿；有限差分法；坡體位移；塑性區(qū)

中圖分類號(hào)：U416.14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）23-0082-04

Abstract： A high slope in Fuzhou City has a safety hazard problem after slope cutting， and it needs to be reinforced and the effect of the reinforcement program is verified. Based on the stability analysis of the high slope， a representative profile was selected to construct a 3D grid model of the slope， and the plastic zone and displacement of the slope before and after reinforcement were analyzed by the finite difference method under the natural working condition and rainstorm working condition. The maximum displacements were 29.6 mm and 10.8 mm before and after slope stabilization under natural conditions， and 54.9 mm and 27.9 mm before and after slope stabilization under heavy rainfall conditions; the displacements at the six monitoring points on the slope surface were all higher than the displacements before and after stabilization. The displacements of the six monitoring points on the slope surface after reinforcement were greatly reduced compared with the displacements before reinforcement. The numerical simulation results show that the reinforcement scheme of lattice beams plus anchors can effectively inhibit the deformation of the slope and improve the overall stability of the slope. This study has certain reference value for the design and verification of similar high slope reinforcement programs.

Keywords： slope stability; lattice beam anchors; finite difference method; slope displacement; plastic zone

隨著人類工程建設(shè)持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的人工削坡形成的邊坡[1]。邊坡的穩(wěn)定性對(duì)周邊建筑物的安全具有很大影響[2-3]。邊坡在受到降雨等自然因素或堆載、切坡等人為因素影響時(shí)，容易發(fā)生崩滑災(zāi)害造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，威脅人類生命安全。對(duì)不穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行加固以提升其穩(wěn)定性，防止崩滑災(zāi)害對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成危害具有重要意義[4-5]。

近年來，學(xué)者針對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和加固措施問題進(jìn)行了大量研究。王碩等[6]結(jié)合魚枧水庫溢洪道左側(cè)邊坡的總體結(jié)構(gòu)特征，選取2個(gè)典型剖面及相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)，利用強(qiáng)度折減法對(duì)該邊坡進(jìn)行了不同施工工序下的穩(wěn)定性分析。王佳俊等[7]以太湖隧道某軟土深基坑施工中出現(xiàn)的滑坡為研究背景，基于FLAC軟件模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，探討了邊坡發(fā)生滑坡的機(jī)制，提出并分析了3種邊坡加固設(shè)計(jì)方案。任佳麗等[8]以南水北調(diào)中線某膨脹土高邊坡為研究對(duì)象，分析了邊坡失穩(wěn)狀況及原因，推測(cè)了滑裂面位置和變形體滑動(dòng)方向，并提出了邊坡加固設(shè)計(jì)方案。何紅忠等[9]采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，評(píng)估了采用土工格柵加筋處置某鐵路專用線巖屋廟膨脹土路塹邊坡的合理性。劉劍等[10]采用有限差分強(qiáng)度折減法，以太行山某高速公路邊坡為研究對(duì)象，研究了坡高、坡角、黏聚力等典型參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并確定了該邊坡的臨界位移閾值。

本研究以福州市某高邊坡為研究對(duì)象，在對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)應(yīng)的加固方案，并利用有限差分法分析了其在天然工況和暴雨工況下，加固前和加固后的塑性區(qū)和位移量變化，驗(yàn)證了所提出的加固方案的有效性。本文可為類似高邊坡加固工程提供一定的參考。

1 工程背景

該邊坡位于福州市，為巖土混合邊坡，表層為全風(fēng)化巖石和殘積土，下部為強(qiáng)風(fēng)化基巖。邊坡坡腳高程范圍為109.81～124.57 m，坡頂高層范圍為124.41～158.17 m。邊坡坡高約為26～59 m，長度約230 m，邊坡坡面傾向?yàn)?8°～171°，傾角15°～51°，邊坡整體上緩下陡。

2 邊坡加固方案

2.1 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和分析，選取3個(gè)代表性剖面計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。采用簡化Bishop法依據(jù)式（1）對(duì)該邊坡在天然工況和暴雨工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。

式中：Wi為第i個(gè)條塊所受重力，Ni為第i個(gè)條塊底部所受法向力，αi為第i個(gè)條塊底部傾角，φi為第i個(gè)條塊摩擦角，ci是第i個(gè)條塊材料黏聚力，li為第i個(gè)條塊底部長度。計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知，II-II'剖面在3個(gè)剖面中穩(wěn)定性系數(shù)最小，在工況A下穩(wěn)定系數(shù)均值為0.984，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在工況B下穩(wěn)定系數(shù)為0.714，坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了保證坡體及坡腳建筑物安全，需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固，以提高其穩(wěn)定性。

2.2 邊坡加固方案設(shè)計(jì)

結(jié)合邊坡現(xiàn)場調(diào)查分析和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，參考相似邊坡加固方案，決定對(duì)該邊坡采取削坡+格構(gòu)梁錨桿+截排水溝的加固方式。在該邊坡的削坡基礎(chǔ)上，分5個(gè)臺(tái)階自上向下進(jìn)行削坡。其中，第一級(jí)臺(tái)階開挖深度為7.5 m，坡率為1∶0.85，第二級(jí)和第三級(jí)臺(tái)階開挖深度10 m，坡率為1∶1，第四級(jí)和第五級(jí)臺(tái)階開挖深度為11 m，坡率為1∶1.2。第一級(jí)至第四級(jí)邊坡開挖完成后，進(jìn)行格構(gòu)梁錨桿加固。錨桿間距2 m×2 m，長度4～20 m，格構(gòu)梁寬度0.4 m×0.4 m。為減少降雨和地表水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在坡頂設(shè)置截水溝，坡腳設(shè)置排水溝進(jìn)行截排水。

3 數(shù)值模型構(gòu)建

為了驗(yàn)證邊坡加固方案的有效性，建立選取剖面II-II'為代表性剖面構(gòu)建邊坡三維網(wǎng)格模型，采用有限差分法對(duì)邊坡塑性區(qū)和位移分布進(jìn)行計(jì)算分析。設(shè)計(jì)了天然工況（工況A）和暴雨工況（工況B）2種工況以提升模擬結(jié)果對(duì)邊坡加固工程的參考價(jià)值。邊坡網(wǎng)格模型如圖1所示，一共包含70 354個(gè)網(wǎng)格和85 362個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊坡網(wǎng)格模型一共分為4層，分別是殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、碎屑狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，在坡面和巖土體分界面處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。邊坡巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)，錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元，格構(gòu)梁采用shell結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。

巖土體物理力學(xué)參數(shù)的賦值對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性具有很大影響。本研究中以野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的巖土體參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)邊坡巖土體參數(shù)進(jìn)行取值，見表2。

4 加固效果分析

4.1 天然工況下加固效果分析

邊坡在天然工況下的塑性區(qū)分布如圖2所示。該邊坡在天然工況下的塑性區(qū)主要分布在坡面及殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面處，全風(fēng)化花崗巖和碎屑狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的分界面處有少量塑性區(qū)分布。對(duì)比分析圖2（a）和圖2（b）可知，邊坡殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面處的塑性區(qū)面積在格構(gòu)梁錨桿加固后比加固前略有減少。表明格構(gòu)梁和錨桿加固對(duì)天然工況下邊坡殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面處的塑性區(qū)發(fā)展具有一定的抑制效果。

對(duì)該邊坡在天然工況下的位移分布進(jìn)行數(shù)值模擬。天然工況下，加固前邊坡的最大位移為29.6 mm，主要分布在第三級(jí)臺(tái)階的坡面。第三級(jí)臺(tái)階和第四級(jí)臺(tái)階坡面附近的位移較大，從第三級(jí)臺(tái)階往上，坡面位移逐漸減小。第一級(jí)和第二級(jí)臺(tái)階的位移極小。天然工況下，加固后的邊坡位移分布和加固前明顯不同。加固后邊坡的最大位移為10.8 mm，主要分布在第四級(jí)臺(tái)階內(nèi)部的邊坡殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面處。第一級(jí)和第二級(jí)臺(tái)階的位移量很小，第三級(jí)臺(tái)階至第五級(jí)臺(tái)階坡面的位移量為3～7 mm。這表明格構(gòu)梁和錨桿加固措施對(duì)天然工況下的坡體位移產(chǎn)生了有效的抑制作用。

4.2 暴雨工況下加固效果分析

邊坡在暴雨工況下的塑性區(qū)分布如圖3所示。該邊坡在暴雨工況下的塑性區(qū)主要分布在坡面、殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面，以及全風(fēng)化花崗巖和碎屑狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的分界面處。暴雨工況下的加固前和加固后的塑性區(qū)面積分別比天然工況下的塑性區(qū)面積略有增加。邊坡殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面處的塑性區(qū)面積在格構(gòu)梁錨桿加固后比加固前有大幅減少。這表明格構(gòu)梁和錨桿加固對(duì)暴雨工況下邊坡殘積砂質(zhì)黏性土和全風(fēng)化花崗巖的分界面處的塑性區(qū)發(fā)展具有明顯的抑制效果。

對(duì)該邊坡在暴雨工況下的位移分布進(jìn)行數(shù)值模擬。暴雨工況下，加固前邊坡的最大位移為54.9 mm，主要分布在第三級(jí)臺(tái)階的坡面和第四級(jí)臺(tái)階的坡體內(nèi)部。第四級(jí)臺(tái)階和第五級(jí)臺(tái)階坡面處的位移也較大，達(dá)到了45～50 mm。第一級(jí)至第五級(jí)臺(tái)階，坡面位移先增大，在第三級(jí)臺(tái)階達(dá)到最大，從第三級(jí)臺(tái)階往上位移逐漸減少。暴雨工況下，加固后的邊坡位移分布與加固前略有不同。加固后邊坡最大位移量為27.9 mm，主要分布在第五級(jí)臺(tái)階坡體內(nèi)部。且從第一級(jí)臺(tái)階至第五級(jí)臺(tái)階，坡面位移逐漸增大?？紤]到只有第一級(jí)臺(tái)階至第四級(jí)臺(tái)階進(jìn)行了格構(gòu)梁和錨桿加固，第五級(jí)臺(tái)階并未進(jìn)行加固，從下至上逐漸增大的位移量，表明格構(gòu)梁和錨桿加固對(duì)邊坡在暴雨工況下的變形產(chǎn)生了有效的抑制作用。

4.3 加固效果綜合分析

邊坡加固前和加固后的最大位移見表3。天然工況和暴雨工況下，加固后的邊坡最大位移量分別比加固前的最大位移量減少了63.5%和49.2%，表明格構(gòu)梁和錨桿加固措施對(duì)坡體的位移起到了有效的抑制作用。

然而，由于邊坡加固前后的位移分布形式不同，僅以最大位移量為分析指標(biāo)并不能全面準(zhǔn)確地反映邊坡位移的變化情況。因此，在邊坡5個(gè)臺(tái)階的坡面中心位置和坡頂布置了位移量監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄其位移量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。圖4表明，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加固后的位移量相比加固前的位移量均大幅下降，其中S3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移下降幅度最大。這也就是說格構(gòu)梁和錨桿加固對(duì)邊坡整體變形有明顯的抑制作用，且對(duì)第三級(jí)臺(tái)階的變形抑制作用最為明顯。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移在天然工況下的減少幅度均比在暴雨工況下的減少幅度更大，表明格構(gòu)梁和錨桿加固在天然工況下對(duì)坡體整體變形的抑制效果比在暴雨工況下的抑制效果更好。

此外，考慮到第三級(jí)臺(tái)階和第四級(jí)臺(tái)階的位移量相比其他位置的位移量更大，為了進(jìn)一步提高邊坡穩(wěn)定性，可以在第三級(jí)和第四級(jí)臺(tái)階處適當(dāng)增加錨桿數(shù)量，以增強(qiáng)對(duì)此區(qū)域的坡體變形的抑制作用。

5 結(jié)論

本文以福州市某高邊坡為例，在對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，選取一個(gè)代表性剖面構(gòu)建邊坡三維網(wǎng)格模型，采用有限差分法分析了邊坡加固前后在天然工況和暴雨工況下的塑性區(qū)和位移量，以驗(yàn)證格構(gòu)梁和錨桿加固方案的有效性。本研究得出以下結(jié)論。

1）在天然工況和暴雨工況下，邊坡加固后的塑性區(qū)面積相比加固前有明顯的減少，格構(gòu)梁和錨桿加固措施可有效抑制坡體的塑性變形。

2）天然工況下邊坡加固前和加固后的最大位移量分別為29.6 mm和10.8 mm，加固后最大位移量減小幅度為63.5%，暴雨工況下邊坡加固前和加固后的最大位移量分別為54.9 mm和27.9 mm，加固后最大位移量減小幅度為49.2%，格構(gòu)梁和錨桿加固措施可有效降低坡體的最大變形量。

3）坡面6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加固后的位移量相比加固前的位移量均大幅下降，其中第三級(jí)臺(tái)階坡面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3的位移下降幅度最大，格構(gòu)梁和錨桿加固措施可有效抑制邊坡的整體變形，且對(duì)第三級(jí)臺(tái)階的變形抑制作用最為明顯。

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作者簡介：白錦烽（1979-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楣こ炭辈煸O(shè)計(jì)。