基于FLAC3D的軟巖高邊坡支護(hù)方案研究

劉喜康

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年來(lái)，高速公路建設(shè)加速，一大批高速公路陸續(xù)建成。特別是云南地區(qū)，高速公路往往建設(shè)在地形地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，而軟巖高邊坡在工程中也非常常見。軟巖具有顯著的流變性質(zhì)，巖體松散，力學(xué)性能差[1]，作為高速公路路塹邊坡巖體時(shí)，常常因開挖擾動(dòng)、降雨等原因而發(fā)生失穩(wěn)，給工程建設(shè)造成極大困難。在建建元高速公路丫沙底停車區(qū)邊坡地層為砂質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，邊坡巖體松散，開挖擾動(dòng)后邊坡發(fā)生失穩(wěn)無(wú)法繼續(xù)施工，需要重新進(jìn)行邊坡的支護(hù)方案設(shè)計(jì)。文章采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)丫沙底停車區(qū)邊坡開挖施工過(guò)程進(jìn)行模擬，使用強(qiáng)度折減法[2]計(jì)算無(wú)支護(hù)及錨索框架梁支護(hù)情況下邊坡在天然、降雨及地震工況的穩(wěn)定安全系數(shù)，進(jìn)而分析邊坡在各工況的穩(wěn)定性，提出抗滑樁設(shè)置的必要性，并對(duì)抗滑樁的設(shè)置位置進(jìn)行了計(jì)算分析，推薦了最優(yōu)樁位。

1 工程概況

丫沙底停車區(qū)位于建元高速公路個(gè)舊至元陽(yáng)段丫沙底溫泉附近，停車區(qū)高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)為錨索框架梁支護(hù)，邊坡典型斷面如圖1所示。

圖1 丫沙底停車區(qū)邊坡典型斷面圖

邊坡地層分為3層，由上而下具體如下：（1）灰黃色砂質(zhì)黏土夾碎、礫石，承載力基本容許值為180kPa；（2）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體呈灰黃色，結(jié)構(gòu)大部分已破壞，巖體結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，呈碎裂狀，承載力基本容許值為300kPa；（3）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體呈灰綠色，結(jié)構(gòu)完整，裂隙較發(fā)育，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，承載力基本容許值為1000kPa。

邊坡開挖分四級(jí)開挖，開挖坡比為1∶1，第一級(jí)至第三級(jí)邊坡采用20m錨索（錨固段10m）+鋼筋混凝土框架梁支護(hù)，第四級(jí)邊坡采用10m砂漿錨桿+鋼筋混凝土框架梁支護(hù)，錨桿及錨索均施加預(yù)應(yīng)力。

2 邊坡開挖支護(hù)過(guò)程穩(wěn)定性研究

2.1 模型建立

首先利用Ansys軟件建立丫沙底停車區(qū)邊坡三維有限元計(jì)算模型，然后導(dǎo)出FLAC3D模型格式進(jìn)行計(jì)算。邊坡模型長(zhǎng)度方向（X方向）取115m，高度方向（Y方向）取91m，寬度方向（Z方向）取18m，重力加速度方向?yàn)?Y方向。本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，巖土體采用六面體單元、錨索采用Cable單元、鋼筋混凝土框架梁采用Beam單元模擬[3]。模型底部施加固定約束，其他自由面施加法向位移約束。三維有限元計(jì)算模型共23256個(gè)節(jié)點(diǎn)，20574個(gè)單元，如圖2所示。

圖2 邊坡三維有限元計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選取

各巖土層密度ρ、變形模量E、泊松比μ、凝聚力C、內(nèi)摩擦角φ取值如表1所示。

鋼筋混凝土框架梁截面為0.5m×0.55m矩形截面，彈性模量3×104MPa，泊松比0.2。預(yù)應(yīng)力錨索彈性模量19.5×104MPa，抗拉強(qiáng)度1860MPa，錨固段粘結(jié)砂漿為M30水泥砂漿，錨索設(shè)計(jì)張拉噸位為46.9t。預(yù)應(yīng)力錨桿彈性模量20×104MPa，抗拉壓屈服強(qiáng)度340MPa，粘結(jié)砂漿為M30水泥砂漿，設(shè)計(jì)張拉噸位為12t。設(shè)計(jì)地震峰值加速度為0.15g。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值

2.3 計(jì)算工況

為了對(duì)比分析無(wú)支護(hù)狀態(tài)及錨索框架梁支護(hù)狀態(tài)邊坡的穩(wěn)定性，考慮模擬天然工況不設(shè)支護(hù)時(shí)施工全過(guò)程及開挖一級(jí)后立即進(jìn)行錨索框架梁支護(hù)時(shí)施工全過(guò)程。因持續(xù)降雨及地震工況不可能進(jìn)行邊坡施工，故持續(xù)降雨及地震工況僅計(jì)算邊坡施工前及邊坡施工完成后兩個(gè)階段。

2.4 結(jié)果分析

天然工況、長(zhǎng)期降雨工況及地震工況強(qiáng)度折減法安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果支護(hù)結(jié)構(gòu)

由表2可知，在天然工況不設(shè)邊坡支護(hù)的情況下，除第一級(jí)邊坡開挖后因削坡減載效應(yīng)安全系數(shù)較施工前略有提高外，隨著邊坡向下開挖，邊坡安全系數(shù)逐步降低，到第四級(jí)開挖完成后，天然工況不設(shè)支護(hù)時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.01，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。由于持續(xù)降雨及地震工況下不設(shè)邊坡支護(hù)時(shí)，施工前及施工完成后邊坡安全系數(shù)均小于1，無(wú)法維持穩(wěn)定。因此，該停車區(qū)邊坡必須設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)。

按設(shè)計(jì)方案設(shè)置錨索框架梁的情況下，天然工況邊坡開挖施工各階段的安全系數(shù)均明顯提高，范圍在1.33～1.44。持續(xù)降雨工況第四級(jí)邊坡開挖完成后安全系數(shù)為1.31，滿足設(shè)計(jì)持續(xù)降雨工況安全系數(shù)大于1.1的要求。但在邊坡施工完成后遭遇設(shè)計(jì)地震的情況下，邊坡安全系數(shù)為1.04，不能滿足設(shè)計(jì)地震工況安全系數(shù)大于1.05的要求。因此，為了確保該停車區(qū)邊坡全生命周期的安全性，僅采用錨索框架梁支護(hù)并不能滿足要求，還需要考慮抗滑樁、擋土墻等其他支護(hù)方式。

天然工況邊坡施工前、不設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)第四級(jí)邊坡開挖完成后及錨索框架梁支護(hù)第四級(jí)邊坡開挖支護(hù)完成后三種情況邊坡失穩(wěn)的潛在滑動(dòng)面對(duì)比如圖3所示。

圖3 各種情況潛在滑動(dòng)面對(duì)比圖

由圖3可知，邊坡施工前最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置位于邊坡上部，安全系數(shù)為1.13。若不設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著邊坡分級(jí)下挖，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面逐漸下移，第四級(jí)邊坡開挖完成后，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從坡頂至坡腳貫通，安全系數(shù)降低至最低值1.01，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。若按原設(shè)計(jì)設(shè)置錨索框架梁，第四級(jí)邊坡開挖完成后，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上移，從第三級(jí)邊坡坡面滑出，安全系數(shù)提高為1.39。可見，設(shè)置錨索框架梁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高是顯著的。天然工況不設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)及天然工況設(shè)置錨索框架梁支護(hù)兩種情況下，第四級(jí)邊坡開挖完成后邊坡的位移矢量圖對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，不設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖至第四級(jí)邊坡后，坡面最大位移達(dá)60cm，位移方向順邊坡向下，指向坡外，說(shuō)明邊坡基本處于失穩(wěn)狀態(tài)。設(shè)置錨索框架梁后，最大位移為邊坡開挖后回彈位移14cm，且邊坡位移方向順邊坡向上，不再指向坡外，這是預(yù)應(yīng)力錨索框架梁發(fā)揮的重要作用。

3 抗滑樁設(shè)置及優(yōu)化

3.1 抗滑樁設(shè)置的必要性

錨索框架梁是高速公路邊坡支護(hù)的常見形式，設(shè)置錨索框架梁極大地提高了邊坡的穩(wěn)定性，但對(duì)于丫沙底停車區(qū)邊坡，錨索框架梁支護(hù)后，在地震工況邊坡安全系數(shù)仍然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需要再考慮增加其他支護(hù)形式。

圖4 不設(shè)支護(hù)與設(shè)置支護(hù)開挖后位移矢量圖

常用的滑坡治理措施有排水、削坡減載、擋土墻、滑帶土改良、抗滑樁等。丫沙底停車區(qū)位于山區(qū)，地形復(fù)雜，施工工作面小，且覆蓋層較厚，若修建擋土墻，擋土墻基礎(chǔ)無(wú)法置于堅(jiān)實(shí)的地基上。邊坡天然狀態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)較小，削坡減載會(huì)擾動(dòng)邊坡，進(jìn)一步降低邊坡的安全性。采用滑帶土改良，一方面因施工面狹窄，無(wú)法使用機(jī)械設(shè)備，另一方面因覆蓋層厚，滑帶土改良投資較大，因此也不便使用。抗滑樁在山區(qū)施工較為方便，只需要小面積的施工平臺(tái)，采用人工挖孔施工，既可以降低對(duì)邊坡的擾動(dòng)，又能快速成樁，且抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提高作用明顯。綜合考慮，丫沙底停車區(qū)增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇為抗滑樁。結(jié)合設(shè)計(jì)建議，該邊坡最終選用長(zhǎng)24m，截面為2m×3m矩形的鋼筋混凝土抗滑樁。

3.2 樁位分析選擇

抗滑樁設(shè)置的位置不同，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的作用也不同，樁位的選擇至關(guān)重要。為了研究抗滑樁設(shè)置的最優(yōu)樁位，文章使用FLAC_3D有限差分軟件的Pile結(jié)構(gòu)單元模擬抗滑樁，擬定第一級(jí)邊坡坡頂（P1）、第一級(jí)邊坡馬道（P2）、第二級(jí)邊坡馬道（P3）、第三級(jí)邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）五個(gè)樁位，計(jì)算天然工況邊坡在錨索框架梁及抗滑樁共同支護(hù)下的穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同樁位邊坡天然工況安全系數(shù)

由表3可知，抗滑樁設(shè)置于第一級(jí)邊坡坡頂（P1）、第一級(jí)邊坡馬道（P2）及第二級(jí)邊坡馬道（P3）時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.46～1.49，相比天然工況不設(shè)抗滑樁時(shí)第四級(jí)邊坡開挖完成后的安全系數(shù)1.39有明顯提高。但設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）位置時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.40～1.41，與不設(shè)抗滑樁時(shí)相差不大，說(shuō)明抗滑樁設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）位置對(duì)邊坡的支護(hù)效應(yīng)不明顯。抗滑樁設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P4）位置時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面如圖5所示，可以看到，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從第三級(jí)邊坡接近坡腳的位置滑出，即抗滑樁設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P4）、邊坡坡腳（P5）位置，并未穿過(guò)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，故抗滑效應(yīng)沒(méi)有得到發(fā)揮。

圖5 抗滑樁設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P4）位置時(shí)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面

從上述計(jì)算分析的角度看，抗滑樁設(shè)置于第一級(jí)邊坡坡頂（P1）時(shí)，邊坡安全系數(shù)最高。但從邊坡現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸條件看，坡頂施工抗滑樁需要額外修建施工便道以便于抗滑樁施工，施工難度大，且需要額外增加占地，現(xiàn)場(chǎng)抗滑樁設(shè)置于低高程邊坡馬道上更有利于施工。抗滑樁設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P3）時(shí)安全系數(shù)為1.46，與設(shè)置于第一級(jí)邊坡坡頂時(shí)，邊坡的安全系數(shù)1.49相差不大。綜合考慮，抗滑樁的最優(yōu)設(shè)置位置為第三級(jí)邊坡馬道（P3）位置。

抗滑樁設(shè)置于第三級(jí)邊坡馬道（P3）位置時(shí)，計(jì)算得到持續(xù)降雨工況邊坡安全系數(shù)為1.17，地震工況邊坡安全系數(shù)為1.09，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

文章使用有限差分軟件FLAC3D，計(jì)算分析了在建建元高速公路丫沙底停車區(qū)軟巖高邊坡在不設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)與設(shè)置錨索框架梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的情況下，邊坡開挖支護(hù)各階段的穩(wěn)定性。并計(jì)算分析了抗滑樁位于不同位置時(shí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，通過(guò)分析研究，得到如下結(jié)論：

（1）丫沙底停車區(qū)邊坡不設(shè)支護(hù)時(shí)，天然工況處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，若遇持續(xù)降雨、地震，邊坡將失穩(wěn)滑動(dòng)，因此必須設(shè)置邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。

（2）錨索框格梁支護(hù)極大地提高了邊坡的穩(wěn)定性，但仍不能滿足地震工況安全系數(shù)大于1.05的要求。

（3）為了確保丫沙底停車區(qū)邊坡全生命周期的穩(wěn)定性，最優(yōu)方案為增設(shè)抗滑樁支護(hù)，抗滑樁設(shè)置的最優(yōu)位置為第三級(jí)邊坡馬道（P3）位置。