高填土邊坡穩(wěn)定性及支護(hù)措施數(shù)值模擬研究

李兄蓮

摘要：文章以海東市云驛光伏電站填土邊坡加固處理工程為依托，利用強(qiáng)度折減法通過ABAQUS軟件對邊坡的3種支護(hù)方案進(jìn)行研究，分析了填土邊坡在重力式擋土墻、抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)作用下邊坡的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：邊坡未支護(hù)、采用重力式擋土墻、抗滑樁支、預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)后，邊坡的最大水平位移分別為45.54?cm、42.26?cm、14.24?cm、3.18?cm；對應(yīng)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.267、0.252、0.048、0.008；安全系數(shù)分別為1.3、1.32、1.48、1.81。通過對3種支護(hù)方案的比較分析，對于填土邊去皮采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)是較優(yōu)的支護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：邊坡加固??重力式擋墻??抗滑樁??預(yù)應(yīng)力錨索

中圖分類號：TU43???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research?on?the?Numerical?Simulation?of?the?Stability?and?Support?Measures?of

of?the?High-Fill?Slope

LI?Xionglian

（?Qinghai?Coal?Geology?Bureau，?Xining，?Qinghai?Province，?810012?China）

Abstract：?Based?on?the?reinforcement?treatment?project?of?the?fill?slope?of?the?Yunyi?Photovoltaic?Power?Station?in?Haidong?City，?this?paper?uses?the?strength?reduction?method?to?study?three?support?schemes?of?the?slope?through?ABAQUS?software，?and?analyzes?the?stability?of?the?slope?of?the?fill?slope?under?the?support?of?the?gravity?retaining?wall，?slide-resistance?pile?and?pre-stressed?anchor?cable.?The?results?show?that，?after?the?slope?is?unsupported?and?uses?the?support?of?the?gravity?retaining?wall，?slide-resistance?pile?and?pre-stressed?anchor?cable，?the?maximum?horizontal?displacement?of?the?slope?is?45.54?cm，?42.26?cm，?14.24?cm?and?3.18?cm?respectively，?the?corresponding?maximum?plastic?strain?is?0.267，?0.252，0.048，?0.008，?and?that?the?safety?factors?are?1.3，?1.32，?1.48，?1.81?respectively.?Through?the?comparison?and?analysis?of?three?support?schemes，?the?use?of?pre-stressed?anchor?cable?support?for?the?peeling?of?the?fill?edge?is?the?better?support?scheme.

Key?Words：?Slope?reinforcement;?Gravity?retaining?wall;?Slide-resistance?pile;?Pre-stressed?anchor?cable

中圖分類號：???????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

在實(shí)際工程建設(shè)中，常遇到人工填土、半填半挖人工邊坡以及土體邊坡，這些邊坡一旦坡腳被擾動，很容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)問題。對這種類型的邊坡穩(wěn)性的分析，很多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，鄢好[1]采用隨球模型對無限長土坡進(jìn)行了穩(wěn)定性研究與分析，李會[2]采用變分法對土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，李雨濃[3]采用擬動力法研究了地震效應(yīng)下非均質(zhì)土坡的三維穩(wěn)定性問題，李見飛[4]和曾紅艷[5]研究了抗滑樁加固土坡的支擋效果，王瑄[6]和魏博[7]對土坡分析別采用加固樁和強(qiáng)夯與碎石樁的支護(hù)效果也進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析。這些研究成果為土坡的穩(wěn)定性分析與支護(hù)提供了很好的理論意義。

文章基于某一人工填土邊坡的支擋加固處理，采用數(shù)值模擬方法，在分析其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，分別對采用重力式擋墻、抗滑樁以及預(yù)應(yīng)力錨索的支擋加固措施進(jìn)行對比分析，確定合適的填土邊坡的加固方案，為類似工程提供借鑒。

1?工程概況

擬建工程為云驛光伏電站填土邊坡加固處理工程，工程位于青海省海東市樂都區(qū)雨潤鎮(zhèn)紅坡村。該光伏電站于2017年建成運(yùn)行，建設(shè)過程中由于半挖半填形成了黃土素填土邊坡，填土高度8m左右。自電站使用以來由于站場內(nèi)防排水系統(tǒng)不完善和站外無排水系統(tǒng)，歷經(jīng)數(shù)次暴水后邊坡部分地段垮塌，地面出現(xiàn)沉降、裂縫，人工填土邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)勘探點(diǎn)揭露，填土邊坡地基土由第四系①層素填土、②層黃土組成。地層巖性特征自上而下分述如下：①層素填土（Q4ml）：在場土內(nèi)均有分布。呈黃褐色，松散～稍密，稍濕。以粉土為主，含少量植物根莖，局部含塊礫石，具濕陷性，中壓縮性，層底厚度6.50～8.30?m，層底高程：2?323.79～2?321.38?m。②層黃土（Q3eol）：該層全場分布，淺黃褐色，稍密～中密，稍濕，以粉土為主，粉砂質(zhì)含量高，孔隙發(fā)育，搖振反應(yīng)中等，無光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，具濕陷性，中壓縮性，場地內(nèi)層厚大于1?m。

2?計(jì)算模型的建立

該邊坡為土質(zhì)邊坡，為簡化計(jì)算，對實(shí)際工程中的邊坡模型進(jìn)行簡化，選取有代表性的斷面建立二維計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算。假設(shè)邊坡巖土體連續(xù)均勻分布，邊坡土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。該邊坡模型尺寸長38.3?m，高18.3?m，所選斷面坡高8.3?m，坡度1：1。模型底部采用全約束，模型兩側(cè)約束水平方向的變形。數(shù)值模擬的模型尺寸如圖1?所示，圖中數(shù)值單位為m。

3?初始邊坡狀態(tài)分析

利用強(qiáng)度折減法原理，將內(nèi)摩擦角和粘聚力增設(shè)場變量，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[8]：

（1）

（2）

經(jīng)計(jì)算，邊坡初始狀態(tài)邊坡塑性區(qū)云圖如圖2所示，原始邊坡具有明顯的滑動面，此時(shí)邊坡的最大塑性應(yīng)變值為0.267。邊坡水平位移最大變形發(fā)生在邊坡底部素填土與黃土交界處，為45.54?cm。有限元軟件進(jìn)行計(jì)算中斷后的場變量系數(shù)即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.3[9]。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB?50330-2013）邊坡工程安全等級分類，邊坡背靠光伏電站，即為一級邊坡，安全系數(shù)為1.35，因此可以推斷邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要對邊坡進(jìn)行加固。

圖2??初始狀態(tài)邊坡塑性區(qū)云圖

圖3??初始狀態(tài)邊坡水平位移云圖

4?加固方案分析

對于常用的邊坡加固方案，一般有擋墻加固、抗滑樁加固、預(yù)應(yīng)力錨索加固，文章將在此基礎(chǔ)上論述3種加固方法，并進(jìn)行比較分析。

4.1?重力式擋土墻支護(hù)

重力式擋土墻是通過擋土墻自身重力來承受土壓力作用，以保證邊坡的穩(wěn)定性。此次模擬選取C30混凝土整體澆灌而成，擋墻高3?m，頂寬1?m，底寬3?m，埋深1.5?m，模型參數(shù)見表1。

經(jīng)過計(jì)算，如圖4所示最大塑性變形已經(jīng)由0.267降低為0.252，塑性變形區(qū)減小但滑動面依然較為明顯，水平位移由45.54?cm降為42.26?cm，穩(wěn)定性系數(shù)為1.32，整體穩(wěn)定性有所提高，但仍不滿足一級邊坡所需的穩(wěn)定性系數(shù)。

4.2?抗滑樁支護(hù)

抗滑樁是利用樁體插入滑動面以下的穩(wěn)定地層對樁的抗力從而平衡滑動體的推力，以此保證邊坡的穩(wěn)定性。本次模擬選取單排抗滑樁，樁寬0.6?m，樁長10.6?m，埋深為10?m，樁體采用線彈性模型，模型材料見表1。

經(jīng)過計(jì)算，如圖6所示，相比于邊坡初始狀態(tài)和重力擋土墻支護(hù)，邊坡的塑性區(qū)面積明顯減少，此時(shí)的邊坡最大塑性變形為0.048。如圖7所示最大水平位移出現(xiàn)在抗滑樁頂部，為14.24?cm，樁身發(fā)生彎曲變形，抗滑樁在滑動面推力作用下表現(xiàn)為彈性變形，這說明抗滑樁發(fā)揮了其抗彎作用阻止土體下滑。穩(wěn)定性系數(shù)經(jīng)過計(jì)算為1.48，符合一級邊坡所需穩(wěn)定性系數(shù)。

4.3?預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)

邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固，錨索規(guī)格為3sφ15.2，錨索材料為高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1?860?MPa。錨索孔設(shè)計(jì)孔徑為150?mm，錨索孔深15～20?m，其中錨固段長10～15?m，錨孔下傾角為25°，鎖定張拉力均為150?kN?？蚣芰后w混凝土強(qiáng)度等級C25，橫梁與縱梁截面尺寸高為300?mm，寬300?mm，橫梁與縱梁交叉處框架設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索。采用降溫法模擬預(yù)應(yīng)力[10]，膨脹系數(shù)為0.000?577。

經(jīng)過計(jì)算，塑性區(qū)云圖已無滑動面，如圖8所示，邊坡的最大塑性應(yīng)變位于坡腳處，應(yīng)變值為?0.008，穩(wěn)定性系數(shù)為1.81。水平位移云圖如圖9所示，邊坡最大水平位移位于坡頂，為3.177?cm。與重力式擋土墻和抗滑樁支護(hù)方案相比，水平位移和塑性變形明顯減小，未出現(xiàn)明顯的滑動面，且安全系數(shù)明顯提高。

現(xiàn)將初始邊坡狀態(tài)和3種支護(hù)方案的穩(wěn)定性系數(shù)和最大水平位移繪制成圖，如圖10所示，可明顯看出初始邊坡狀態(tài)、重力式擋土墻支護(hù)，抗滑樁支護(hù)和預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的最大水平位移逐漸減小，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升，且預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的穩(wěn)定性系數(shù)最高，為這3種加固方案的最佳選擇。

5?結(jié)論

文章通過建立二維數(shù)值模型，利用ABAQUS軟件通過強(qiáng)度折減法對初始邊坡狀態(tài)、重力式擋土墻支護(hù)和抗滑樁支護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，通過對模擬計(jì)算的結(jié)果分析可取得以下結(jié)論。

（1）初始邊坡的具有明顯的滑動面，塑性區(qū)面積較大，最大塑性變形為0.267，位于坡腳素填土與黃土交界處。重力式擋土墻支護(hù)，抗滑樁支護(hù)的滑動面雖然減小，但仍然存在，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的邊坡沒有明顯滑動面，塑性變形區(qū)大大減小。

（2）初始邊坡狀態(tài)的最大水平位移為45.54?cm，穩(wěn)定性系數(shù)為1.3，在嘗試3種支護(hù)方案后，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下的邊坡最大水平位移減少為3.18?cm，穩(wěn)定性系數(shù)增加為1.81。因此，預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)為最佳加固方案。

參考文獻(xiàn)[1] 鄢好.基于橢球模型的土坡穩(wěn)定性非概率可靠度分析[D].成都：成都理工大學(xué)，2020