Midas GTS-NX在機場邊坡動態設計中的應用

■ 王靜

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，貴州 安順 561000）

滑坡是常見的一種易發和危險性極大的工程地質災害問題之一[1]。隨著我國基礎建設的發展和國家“十三五”規劃的開展，為了加快我國西部基礎建設的進展，克服不利地形對交通建設的不利影響，航空運輸因為便捷、快速的特點，其得到了廣泛的應用[2][3]，機場跑道占地面積大、跑道長度長，山區自然地形條件不能很好滿足機場建設的需要，各國普遍采用高填方邊坡的形式填筑機場，同時高邊坡引發次生危害[4][5]；研究了國、內外學者針對機場邊坡的失穩問題開展了很多研究，普遍認為在機場高填方填筑中引起的邊坡失穩原因主要是人為因素和不良地質條件。近年來,有學者通過分析現場勘查技術，結合有限元軟件建立場區邊坡數值模型，計算并分析極端工況下的應力、應變，分析邊坡潛在變形機理，為工程設計階段提供參考，利用有限元法對機場高填方邊坡填筑施工過程的分析，研究施工中邊坡場區荷載激勵下的應力、位移場的變化，提供一定的動態施工的參考依據[6]。針對我國西部某機場高填方邊坡的填筑中邊坡對周圍村莊及邊坡自身穩定性的數值模擬，研究填方邊坡的變形機理及穩定程度，并對穩定程度較低的邊坡采用相對應的加固措施，達到經濟、適用、安全和美觀的要求。

一、工程概況

我國西北部某新建機場，由于地處黃土高原腹地，為了克服山區溝壑無法滿足修建機場跑道的天然不利因素，通常采用挖填方式整平場地的方式修筑，利用對應的地基處理技術經處理后才是處理機場跑道的比較有效的途徑之一[7]，但填土高度增加，極易引發邊坡失穩地質災害問題。在高填方施工中引發老滑面失穩。

二、有限元法

為了分析機場高填方邊坡變形機理，研究邊坡的穩定狀態，并選擇合理、經濟的支護方式，利用巖土有限元軟件Midas GTSNX模擬填方邊坡，得到不同工況條件下的邊坡穩定系數，通過安全系數與規范比較，判斷邊坡的穩定狀態；根據計算推力結果加固潛在不穩定的邊坡，計算加固后邊坡的穩定安全系數，對比穩定系數判斷邊坡治理效果。Midas GTSNX中采用的有限元法分為強度折減法（SRM法）和有限元法（SAM法），本次建模分析高填方邊坡初始及加固后的穩定狀態，填方土體主要為素填土，為了模擬效果盡可能接近實際，本次采用的基本理論假設為土體均質、邊坡單元約束條件為底部剛接，左右兩邊鉸接，土體采用摩爾-庫倫本構模型，采用SRM法計算，不斷折減土體的抗剪強度指標c、φ，也就是說假定滑體處于極限平衡狀態，通過不斷折減滑動面位置的抗剪指標使塑性區范圍不斷擴大，當滑動面的塑性區出現貫通時，則滑坡坡體已處于極限狀態，邊坡數值分析過程中不斷增加折減系數，反算至其達到臨界破壞，折減系數即為邊坡的安全系數Fs，強度折減法計算公式如公式（1）、公式（2）所示。

其中，CF-折減后的黏結力，φF-折減后的摩擦角，Ftrial-折減系數。

巖土中邊坡計算相對結構計算而言，由于巖土是一種比較復雜、非均勻和非各向同性材料，因此巖土工程分析的滑坡，設計中通常采用“工程類比法”[8]，但也存在設計工作量大、對滑坡滑動認知不足的缺點，為了克服設計中不利因素，減輕設計人員的工作量及加深對滑坡變形機理和特征的認識，通常利用有限元軟件可以在缺乏工程經驗或者前期為了預測坡體在不利工況下變形趨勢和分析影響邊坡穩定性的因素。

計算滑面的土體抗剪強度指標及防護工程的物理力學參數指標如表1所示。

為了準確分析老滑坡體與高填方邊坡耦合體系協同上的變形機理、滑動趨勢和變形特征等，建立老滑體與高填方邊坡耦合協同體系數值模型，如圖1所示。利用midas的Mohr-Coulomb單元，劃分成四面體+三角單元建立考慮土體、樁土的接觸單元的耦合有限元模型組合模型，模型的單數量為6276個，考慮材料非線性效應，為了加快收斂速度，采用弧長法搜索最不利位置的滑面，有限元模型如圖1所示，求解的潛在滑動面如圖2所示，耦合體系的計算結果如圖2所示，塑性區主要集中在填方體內，滑面位置與現狀滑動面位置基本吻合。

表1 參數指標

圖1 老滑坡與高填方耦合模型

圖2 耦合體系塑性區云圖(Fs=1.02)

圖3 老滑坡斷面圖

實際勘察滑坡主滑動位置斷面如圖3所示，從圖1、圖2、圖3可以看出，有限元結果與現場勘察結果對比分析可以看出，耦合體系的計算結果與實際主滑面的位置、形態還有剪出口位置和趨勢基本吻合，圖1所示，塑性區主要集中在填方體內，鉆探的主滑面位置與模擬結果最大高差為1.5m，主滑面位置與現狀滑動面位置基本吻合，填方體坡腳存在兩個剪出口，第一個剪出口與現場勘察發現剪出口位移一致，表明老滑坡存在沿老滑動面滑動趨勢，與現場實際情況吻合度良好，如圖2所示；第二剪出口位于填方體最后一級坡腳處，二者空間高差位置差50cm，表明模擬結果與實際吻合良好，新填筑的填土存在沿著老地面滑動的潛在可能，坡腳需要采取支護措施。

三、加固措施及效果分析

利用數值模型分析結果，新填筑邊坡存在二者耦合滑動趨勢，滑動特征表現在：（1）新建施工擾動加速下部老滑坡的蠕動，現已出現剪出口；（2）新填筑的邊坡屬于高填方，存在典型失穩的特征。

為了達到治理高填方邊坡失穩的問題，抗滑樁作為主要支擋工程，由于填方體高度約48m，抗滑樁布設于坡腳位置，滑坡抗力抵消一部分滑坡推力，樁長可以做到經濟長度同時保證預期的治理效果，施加抗滑樁模型如圖4所示。

圖4 抗滑樁支護后塑性區云圖(FS=1.24)

選取填筑高度最高的48m斷面計算現狀條件利用抗滑樁支護后塑性區云圖；通過對比分析施加抗滑樁前后的新填方與老滑面耦合體系整體的穩定性，檢驗工程治理的效果。為了防止其進一步滑動引發地質災害事故，在對老滑體的數值模擬過程中，老滑面主滑面所在位置平均深度約24m，實際中鉆孔巖芯測量滑面平均深度約23.2m，數值分析結果與實際主滑面所在位置和角度基本吻合。

利用有限元軟件計算能夠準確模擬老滑坡體上高填方二者蠕動耦合效應，分析二者協同變形機理，利用數值模擬結果，設置抗滑樁考慮老滑面和潛在滑面變形影響，考慮兩個剪出口與抗滑段相對位置并計算剩余樁前下滑力的影響，設置坡腳抗滑樁保證坡體的穩定性，設計支護斷面如圖5所示，實際防護工程位置布設如圖6所示，在潛在滑動面剪出口位置附近布置一排2.0m×3.0m抗滑樁，樁長為30m，通過對邊坡的地表位移監測，結果表明，抗滑樁的存在明顯限制了邊坡水平位移的發展。

圖5 錨索-抗滑樁支護體系

圖6 坡腳增設錨索排抗滑樁

圖2和圖4結果表明：（1）現狀條件下邊坡穩定系數Fs=1.02，坡面產生一條貫通潛在滑動面，老滑面位置及剪出口與實際吻合，新填土存在潛在剪出口；（2）利用抗滑樁在坡腳潛在滑動面處加固后穩定安全系數Fs=1.24，樁后土體水平位移明顯減小，抗滑樁的抗力抵消大部分土體的下滑力，說明抗滑樁在一定程度上限制坡體沿潛在滑動面滑動的趨勢，達到治理工程設計的效果。

四、結論

為了研究西部機場高填方邊坡的穩定性及抗滑樁加固效果，利用Midas GTSNX建立了機場填方體邊坡的數值模型，分別計算邊坡的穩定系數，通過對比分析，主要結論如下：

（1）由于山區機場高填方邊坡內部存在產生潛在滑動面而存在失穩的可能，新填筑高填方在老滑坡體上并引發老滑坡蠕動，利用數值軟件計算二者協同變形特征和蠕動的趨勢，不僅老滑體在坡腳出現深層剪出口，新填筑坡體存在老滑體上部剪出的可能。

（2）支護前邊坡穩定系數Fs=1.02，利用抗滑樁在坡腳加固后穩定安全系數Fs=1.24，加固后邊坡處于穩定狀態，抗滑樁的存在在一定程度限制了邊坡沿潛在滑動面滑動的趨勢。

（3）利用有限元軟件計算能夠準確模擬老滑坡體上高填方二者蠕動耦合效應，分析二者協同變形機理、潛在滑動面變形趨勢及變形特征，對比支護前后的數值模型計算結果，結合設計工作，達到安全、經濟、適用和美觀的治理效果。