高邊坡施工順序?qū)χёo結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響研究

摘 要：本文旨在探討高邊坡施工順序?qū)χёo結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。本文基于現(xiàn)有巖土體本構(gòu)模型，結(jié)合數(shù)值計算方法，模擬了不同施工順序下高邊坡支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)及位移變化。通過對比分析，揭示了施工順序?qū)χёo結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及邊坡整體安全性的重要影響。研究結(jié)果表明，合理的施工順序能夠顯著減少支護結(jié)構(gòu)位移，提高邊坡穩(wěn)定性，對實際工程具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高邊坡；支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

中圖分類號：U 41" 文獻標(biāo)志碼：A

在現(xiàn)代土木工程領(lǐng)域，高邊坡的穩(wěn)定性問題一直是研究的熱點和難點之一。高邊坡的施工過程涉及復(fù)雜的巖土體材料力學(xué)行為，其穩(wěn)定性不僅受到巖土體自身物理力學(xué)性質(zhì)的影響，還受到施工順序、施工方法、環(huán)境條件等多種因素制約[1]。隨著城市化進程的加快和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進，高邊坡工程日益增加，其穩(wěn)定性問題直接影響工程安全、人們的生命財產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境保護。

本文基于現(xiàn)有巖土體本構(gòu)模型，結(jié)合數(shù)值計算方法，對高邊坡施工順序?qū)χёo結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響進行了深入研究，模擬不同施工順序下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)及位移變化，旨在為實際工程提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，同時也為進一步完善巖土體本構(gòu)模型和數(shù)值模擬方法提供參考。

1 工程案例

以某黃土丘陵地區(qū)邊坡工程為例，本工程位于黃河北岸高階地，地貌以黃土丘陵為主，地勢由北向南傾斜，最高點海拔為1821m，最低點海拔為1536m，相對高差顯著。邊坡總長度為789m，高度自北向南遞增，南端最高處達到35.67m。由于建設(shè)需求，邊坡緊鄰居住區(qū)，施工紅線緊貼原始坡底線，因此設(shè)計了三級支護結(jié)構(gòu)：一級為錨拉式樁板墻，高度為12m；二級和三級均為框架預(yù)應(yīng)力錨索支護，高度分別為12m和11.67m。

施工初期先對第一級錨拉式樁板墻進行施工。將樁間距設(shè)定為6m，樁身及肋柱上安裝預(yù)應(yīng)力錨索，頂部設(shè)置700mm×1700mm冠梁，提高整體穩(wěn)定性。在第一級支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，隨即進行第二級框架預(yù)應(yīng)力錨索支護施工?？蚣芰翰捎娩摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，根據(jù)計算，截面尺寸為400mm×600mm。在邊坡修坡過程中，采用機械與人工相結(jié)合的方式，保證坡面平整度和坡度符合設(shè)計要求。同時，加強邊坡防護措施，例如設(shè)置排水溝、植草護坡等，以減少雨水沖刷對邊坡穩(wěn)定性的影響。第三級支護結(jié)構(gòu)同樣采用框架預(yù)應(yīng)力錨索支護，采用預(yù)應(yīng)力錨托板支護作為替代方案，保證支護結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。在施工過程中，加強對邊坡整體穩(wěn)定性進行監(jiān)測，利用布設(shè)監(jiān)測點、定期觀測數(shù)據(jù)等手段，及時發(fā)現(xiàn)并處理了支護結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力變化等異常情況，保障邊坡工程的安全性。

2 模型建立與施工順序工況

2.1 模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)定

本研究的高邊坡工程的支護體系核心為混凝土構(gòu)筑物，穿越的土層依次為馬蘭黃土、卵石層及紅砂巖層。采用庫侖-摩爾破壞準(zhǔn)則來模擬巖土體材料行為。支護體系主要包括混凝土材料構(gòu)建的預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)、錨拉式樁板墻、肋柱及框架結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力錨索采用FLAC 3D內(nèi)置的結(jié)構(gòu)單元Cable精確替代，通過試驗測試及參考相關(guān)行業(yè)規(guī)范綜合確定其參數(shù)[2]。而樁板墻、肋柱及框架結(jié)構(gòu)。鑒于其主要在彈性范圍內(nèi)工作，僅在極端工況下偶現(xiàn)非彈性行為，因此統(tǒng)一采用各向同性彈性模型進行數(shù)值模擬，精準(zhǔn)捕捉其力學(xué)響應(yīng)。

本研究聚焦于邊坡工程中的一段代表性區(qū)段，該區(qū)段坡寬約12m，為保證分析的全面性與代表性，選取最高坡段（約為35.67m，模擬中簡化為36m）進行研究。當(dāng)構(gòu)建模型時，兩側(cè)邊界僅考慮應(yīng)力傳遞，忽略其應(yīng)變變化，將底部及前后邊界均設(shè)定為固定約束，無應(yīng)變發(fā)生。將一級支護體系設(shè)計為樁板墻結(jié)合肋柱結(jié)構(gòu)，樁體深入巖層5m，提高穩(wěn)定性。

2.2 施工順序工況分析

本研究選取3種具有代表性的施工方法（順序），分別模擬其施工過程，并分析其對邊坡位移及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

工況一施工方法（逐層填筑與支護同步進行）：此方法遵循“逐層填筑、逐層支護”的原則，即每完成一層土體填筑，立即進行該層對應(yīng)的框架預(yù)應(yīng)力錨索施工。這種施工順序能夠最大限度地縮短邊坡在填筑過程中的無支護暴露時間，有利于控制邊坡位移，保障施工安全。

工況二施工方法（多層填筑后統(tǒng)一支護）：此方法采用“多層填筑、統(tǒng)一支護”的方法，即先連續(xù)填筑多層土體，待達到一定高度后，再統(tǒng)一對這些土層的框架預(yù)應(yīng)力錨索進行施工。此方法雖然能提高施工效率，但可能導(dǎo)致邊坡在較長時間內(nèi)處于無有效支護狀態(tài)，增加邊坡失穩(wěn)風(fēng)險。

工況三施工方法（先填筑后集中支護）：此方法類似方法二，但更為極端，即先完成所有土層填筑，待邊坡整體形成后再進行所有框架預(yù)應(yīng)力錨索施工。這種方法雖然施工簡單，但邊坡在長時間內(nèi)缺乏有效支護，會對邊坡穩(wěn)定性構(gòu)成較大挑戰(zhàn)。

3 不同施工順序下支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1 支護樁水平位移分析

圖1為澆筑高度24m時的樁板墻水平位移。當(dāng)填土與支護作業(yè)推進至24m深度時，樁板墻的位移監(jiān)控數(shù)據(jù)說明：在相同的支護設(shè)計下，采用施工方法一構(gòu)建的下層樁板墻，與施工方法二相比，其水平位移的累積量顯著減少；而與施工方法三相比，施工方法二構(gòu)建下層樁板墻時所產(chǎn)生的水平位移累積又有所減少[3]。進一步從邊坡安全性的視角審視，施工方法一達到該高度時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)高達1.85，明顯高于施工方法二的1.81及施工方法三的1.70。這個結(jié)果說明，施工方法一在保障邊坡安全方面展現(xiàn)出更為優(yōu)越的性能，而施工方法二與方法三則相對較弱。

圖2為澆筑高度30m時樁身水平位移。施工與支護作業(yè)深入至30m高度時，施工方法一在初期對邊坡施加的荷載更大，且支擋結(jié)構(gòu)的位移與其背后土壓力及邊坡土體的固結(jié)穩(wěn)定時長緊密相關(guān)，因此施工方法一需要更長的土體固結(jié)時間，其一級支護結(jié)構(gòu)中的樁板墻在水平方向上的位移量相對較大。施工方法一在此高度下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.70，略高于施工方法二的1.67，說明施工方法一在提高邊坡安全方面具有優(yōu)勢。

3.2 邊坡整體位移分析

以施工方法一為例，圖3為邊坡土體和支護結(jié)構(gòu)在不同澆筑高度情況下的水平位移云圖。由圖3可知，在邊坡土壤逐層填筑與支護結(jié)構(gòu)同步構(gòu)建的過程中，邊坡主體及其支撐系統(tǒng)的水平位移呈現(xiàn)出遞增趨勢[4]。當(dāng)填筑與支護高度分別達到18m和24m時，一級支護體系中的樁板墻或冠梁區(qū)域成為水平位移的顯著集中點。在達到24m高度前，原邊坡坡頂幾乎未受影響，但后續(xù)施工則導(dǎo)致該區(qū)域水平位移持續(xù)加劇。

通過對比分析3種不同施工順序下的邊坡變形特性，可知邊坡填筑與支護高度遞增，都會增加邊坡土壤與支護結(jié)構(gòu)的水平位移，但相同高度下，施工方法選擇會影響位移量。采用第一種施工方法完成的邊坡支護結(jié)構(gòu)在相同施工階段的最大水平位移相對最小，而第三種施工方法會使水平位移最大，顯示出更強的變形趨勢。

從支護結(jié)構(gòu)與后方土體的水平位移差異來看，第一種施工方法位移差最小，表明支護結(jié)構(gòu)與土體之間的協(xié)同變形能力較強[5]。相反，第三種施工方法下的兩者位移差最顯著，說明支護結(jié)構(gòu)與邊坡土體間的位移不協(xié)調(diào)性較高，削弱了支護結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的效果。在協(xié)同工作能力方面，第一種施工方法下的邊坡支護結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最為優(yōu)異，能夠更有效地協(xié)同工作，抵御變形。相比之下，第三種施工方法則顯著降低了支護結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同效能，對邊坡的長期穩(wěn)定性構(gòu)成潛在威脅。因此，當(dāng)選擇施工方法時，須綜合考慮其對邊坡支護結(jié)構(gòu)協(xié)同性及整體穩(wěn)定性的影響[6]。

4 結(jié)論

本文對不同施工順序下高邊坡的填筑與支護過程進行深入研究，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算、支護樁水平位移分析及邊坡整體位移云圖，得出以下主要結(jié)論。1）施工順序選擇直接影響邊坡的最終穩(wěn)定性。按照施工方法一（即本研究中認為的最優(yōu)順序）進行作業(yè)，能夠顯著提升邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，而施工方法三的穩(wěn)定性相對較低，這對邊坡的長期安全構(gòu)成潛在風(fēng)險。因此，在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇施工順序，提高邊坡的穩(wěn)定性。2）施工方法一在減少支護樁水平位移方面表現(xiàn)最優(yōu)，而施工方法三則相對較差，且隨著邊坡填筑與支護高度遞增，邊坡主體及其支護結(jié)構(gòu)的水平位移均呈現(xiàn)出遞增趨勢。在達到特定高度（例如24m和30m）時，邊坡的位移特性發(fā)生顯著變化。30m高度時，最大水平位移出現(xiàn)在邊坡中部的二級框架預(yù)應(yīng)力錨索支護結(jié)構(gòu)中下部。

參考文獻

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