基于ABAQUS的福建某邊坡改建與加固方案研究

劉澄源

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350003)

0 引言

我國山區面積廣大，而福建又屬西南山區，隨著道路建設的推進，邊坡工程十分常見[1- 2]。由于早期資金、技術、設備等方面原因，一些邊坡承載力、使用要求等方面可能已經無法滿足現今需求，需進行拓寬、加高、加固等措施[3-6]。

本文以福建某邊坡改建工程為例，采用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬，在原邊坡強度驗算基礎上，提出簡便、有效的改建加固方案，并對改建方案與加固方案分別進行沉降與安全系數等力學分析，并基此提出一些工程優化建議，以期為相關工程提供參考。

1 案例邊坡概況

福建某邊坡，始建于2003年，原擬在坡頂修建廠房，用以堆放重型設備及原材料，故在修建此邊坡時，采用了體量較大的仰斜式擋土墻及較低坡率的放坡，但因某些原因導致在修建完邊坡后并未繼續建造廠房?，F受業主委托重新規劃廠房位置，但由于坡頂面積不夠，需對此邊坡進行改建處理。然而，本次對原邊坡改建的范圍很大，且原邊坡將由緩坡變陡坡，勢將涉及原邊坡承載力、新填陡坡變形及安全性等問題。

該邊坡縱向長約83m，采用開挖的方式對一多土層山體進行平整加固處理而成。邊坡土層豐富，土質較好，自上而下分別為：①殘積土，表層植被茂盛，根系發達，孔隙率大，含水率較大，強度較低，組織結構全部破壞，已風化成土狀；②全風化凝灰熔巖，散體狀結構，有殘余結構強度，原巖主要礦物成分為長石、石英等；③強風化凝灰熔巖，巖體疏松破碎，構造層理不清晰，礦物質成分顯著發生變化；④中等風化凝灰熔巖，結構部分破壞，巖體呈碎塊狀，沿節理面存在次生礦物；⑤微風化凝灰熔巖，結構基本未變，僅有少量風化痕跡，硬度高，結構性強。

邊坡總高17.54m，土坡高8m，坡率1∶3.08，擋土墻為長條石及鋼筋混凝土共同修筑的重力式擋土墻，埋入地面2.86m，墻高9.54m，頂部寬2m，墻面坡度1∶0.33，墻背坡度1∶0.2，底部嵌入中等風化凝灰熔巖，墻身設間距2m、半徑0.1m排水孔，坡面設鋪砌層，地面設排水溝，擋土墻與土坡養護得當，無變形，無病害，如圖1所示。

2 邊坡分析

邊坡坡率較低，擋土墻體量大，土質良好，但考慮到需要填筑大體量填土及坡頂荷載較大，不能直接僅憑經驗確定改建方案，需對原邊坡進行強度驗算，確定其安全儲備。現利用ABAQUS有限元軟件對原邊坡建立數值模型，采用強度折減法評估原邊坡安全性。

2.1 模型建立與分析

(1)建立數值模型

原邊坡沿縱向地質情況與圖1近似，擋土墻情況也基本相同，地貌情況也并未對邊坡產生明顯三維效應，為減少運算量，提高效率，可對本構模型進行簡化，采用二維平面應變模型進行分析。本分析利用ABAQUS導入功能，將原邊坡的CAD圖直接導入生成精確的數值模型，生成模型如圖2所示。

圖2 原邊坡數值模型

(2)定義材料參數

由于邊坡土質良好，故殘積土層、全風化層及強風化層采用Mohr-Coulomb(摩爾庫侖)本構模型，中等風化層、微風化層及擋土墻采用線彈性本構模型。根據地勘報告和室內試驗結果，最終土體材料參數與擋土墻材料參數按表1所示取得[7-9]。

表1 材料參數

(3)分析步設置

①Geostatic重力分析步設置。因該工程為開挖邊坡，且邊坡修筑完成距今已有15年，可認為邊坡沉降及變形已基本完成，內部應力基本穩定。參考2007年萬智[10]等對老路基有限元分析的處理方式，對其整個邊坡進行地應力平衡，令邊坡獲得無初始應變而有初始應力的初始平衡狀態。

②Static靜力分析步設置。對整個邊坡進行強度折減，獲取邊坡安全系數。強度折減法的基本原理為：將土體材料的c和φ按比例逐漸降低，直到某個單元所受應力超過其強度，形成屈服點。當多個屈服點連成貫通面，形成滑動帶之后，土體失穩，此時c和φ縮小的倍數就是安全系數[11]。

(4)模型荷載及邊界條件

固定模型底部X方向、Y方向位移，約束模型左右兩側的水平位移。

(5)網格劃分

網格劃分與單元類型決定了計算結果的準確性。對主要分析的上部前3層土進行網格加密處理，所有部件采用的單元類型均為CPE4。

2.2 結果分析

圖3為原邊坡的滑動面云圖。

圖3 滑動面云圖

由圖3可知，滑動面存在3處：①一層與二層土交界處；②二層與三層土交界處；③擋土墻墻背。雖覆蓋范圍較廣，但此時安全系數已達到3.0，且擋土墻位移及變形極小，可忽略不計。故，該邊坡十分穩定，安全儲備很大。

3 改建方案

經對原邊坡安全系數及變形情況的了解，結合業主要求和現場實際情況，決定對擋土墻直接加高1.5m，采用砂土填筑，對原邊坡拓寬15m，新邊坡坡率改為1∶1.5，其余情況不變。改建方案如圖4所示。

圖4 改建方案剖面圖

3.1 改建邊坡數值模型建立

圖5為邊坡改建方案的數值模型。圖中紅色部分為新建擋土墻，綠色部分為新填砂土。

圖5 改建邊坡數值模型

新建擋土墻材料參數按原擋土墻取得，新填砂土材料參數按表2取得。

表2 材料參數

在原邊坡數值模型基礎上，為更加準確新填邊坡的應力應變分布情況，利用單元生死功能[12]，模擬分步和分層施工過程，添加新的分析步。

具體模擬過程為：在對原邊坡進行地應力平衡后，首先將新建擋土墻加上，然后每隔0.5m填筑一層砂土，共填17層，如圖5所示；再按圖4所示，在填筑完成后對坡面相應位置處施加35kPa的均布荷載；最后，對整個模型進行強度折減。其中，在填筑過程中，考慮砂土與殘積土拼接及施工方便問題，在填筑每一層填土前，在拼接處對殘積土開挖0.5m。

3.2 結果分析

圖6為均布荷載加載完成后的水平位移及豎直位移圖。

(a)水平位移

(b)豎直位移圖6 位移圖(單位：cm)

由圖6可知，水平位移最大約3.8cm，主要集中在坡腳處；豎直位移最大約4.5cm，主要集中在加載處下方的中部，沿新填砂土與殘積土的交界處向下分布。水平位移與豎直位移并不是出現在填土表面，對于采用分層填筑的新填填土，更為貼合工程實際情況，ABAQUS的單元生死功能很好地模擬了這一情況。

圖7為總位移的矢量圖。

圖7 總位移的矢量圖(單位:cm)

由圖7可知，位移主要集中在新填砂土與殘積土交界處，總位移最大約5.1cm，擋土墻最大位移在新填部分頂端，約3.4cm，位移總體而言都較小。

圖8為邊坡滑動面圖。

圖8 滑動面圖

由圖8可知，邊坡土體屈服面主要集中在新填砂土和擋土墻墻背，但導致邊坡失穩的是新填砂土中的圓弧形滑動面，它的形成使得邊坡迅速垮塌。墻背土體盡管已經屈服，但由于擋土墻的持力層非常穩固，所以未對邊坡造成太大影響。邊坡安全系數為1.17，該邊坡安全儲備較小，在某些情況下(如大降雨、堆載過多等)，極易發生安全事故，需要對其進一步加固。

4 加固方案

考慮到邊坡與擋土墻的位移較小，符合要求，但安全系數稍小，且影響安全系數的主要原因在于新填砂土土坡過于陡峭，因此決定在填筑每一層砂土時，鋪設一層土工格柵，共16層，以提高邊坡安全系數。土工格柵鋪設位置如圖9紅色部分所示。

圖9 土工格柵鋪設位置圖

土工格柵采用線彈性本構模型，材料參數按表3取得，并且設置土工格柵只能承受拉力。

表3 材料參數

圖10為土工格柵鋪設后邊坡滑動面圖，圖11為土工格柵水平方向應力圖。

圖10 鋪設后滑動面圖

圖11 土工格柵水平方向應力圖(單位:Pa)

如圖10所示，在新填砂土中鋪設土工格柵效果明顯，新填砂土在滑動面處在殘積土層，安全系數約1.63，增加63%。圖11表明在加固前滑動面的位置處，土工格柵應力最大，表明土工格柵能較好地發揮了應力的傳遞作用。第一和第二層土工格柵應力非常小，可忽略不計，表明其并未發揮作用，為提高經濟效益，可考慮撤去。

加固后邊坡的水平位移較大區域仍然在新填邊坡最底部，最大水平位移約為2.4cm，減少36.8%，豎直位移較大區域也未發生較大變化，最大豎向位移3.2cm，減少40.6%，加固效果較為明顯?？傮w而言，變形和安全系數均滿足要求。

5 結論

綜上，本文主要結論如下：

(1)由于原邊坡安全儲備良好，使得邊坡變形和安全性問題主要集中在新建邊坡上。而在對填土鋪設土工格柵后，水平位移減少36.8%，豎向位移減少40.6%，安全系數增大63%，效果明顯。

(2)對新填邊坡進行有限元分析時，在簡化模型的同時，模擬了分層施工過程。結果顯示，水平位移與豎直位移并非出現在填土表面，而是分別位于位移新填邊坡底部和中上部，更為貼近實際情況。

(3)邊坡改建前需對原邊坡進行全面的評估監測，觀察原邊坡有無明顯病害，擋土墻排水情況，并對原邊坡進行地質勘測，運用有限元等工具，進一步判斷原邊坡情況。在原邊坡情況良好時，綜合考慮經濟效益，可直接對原擋土墻進行加高后填筑拓寬，并需對改建后邊坡的變形及應力分布特點、安全系數等情況進行細致分析。