基于FLAC3D的順層巖質邊坡穩定性及錨固優化研究

劉 冀，胡煥校，鄧 超，張 劍

（1.中化地質礦山總局湖南地質勘查院，湖南 長沙 410100；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083）

1 引言

我國南方地區多屬丘陵地貌，巖質邊坡分布廣泛，形態多樣，雨季較易發生滑坡等災害。在不同因素影響下，巖質邊坡發生破壞的類型較多，主要有滑移破壞型、潰曲破壞型、滑移－壓致拉裂型等[1]。順層巖質邊坡作為巖質邊坡中的一種，當邊坡傾角大于順層傾角時，極易發生順層滑坡，無論對于基礎設施建設，還是對于人民生命財產安全，該類邊坡都是較大的隱患[2]。對此，許多專家學者、技術人員進行了相應研究。因此徐永旺、李昌龍、夏開宗等[3-5]從邊坡開挖失穩理論、防護措施等方面進行了研究，分析了多種因素影響下的順層邊坡破壞機理及加固措施；許建文等、王章瓊、呂軍等[6-8]應用數值模擬分析巖質邊坡的變形失穩模式，為邊坡處置提供了科學依據。

湖南淺層巖質邊坡地層多為泥質粉砂巖或含泥巖、砂巖軟弱層，在自然降雨條件下容易造成巖層軟化崩解[9，10]，引起邊坡失穩破壞。基于此，本文從泥質粉砂巖順層邊坡入手，以數值模擬為手段，結合工程實例，研究邊坡穩定性、潛在破壞趨勢；基于錨固支護初步設計方案，從錨桿分布、錨桿長度、錨桿傾角、錨桿間距等方面對原有設計進行優化，分析各個因素對邊坡穩定性的影響，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

某機場高速輔道邊坡為順層巖質邊坡，按一級臺階后仰放坡后，坡頂平臺坡高約6m～8m，邊坡傾向350°，走向80°，傾角30°～ 45°。如圖1所示，該巖質邊坡坡面裸露，生長少量植被，坡體為白堊系泥質粉砂巖，呈褐紅色，主要由石英及黏土礦物組成，泥質膠結，粉砂質結構，層狀構造，在勘探深度范圍內，按其風化程度不同劃分為強、中風化二帶。

①強風化泥質粉砂巖（K3）：褐紅色，大部分礦物已風化變質，節理裂隙發育，巖體較破碎，巖芯呈短柱狀，少量呈塊狀，具遇水軟化、失水崩解特點，屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級，厚度0.60m～3.90m；

②中風化泥質粉砂巖（K4）：褐紅色，節理裂隙不甚發育，巖體較完整，巖芯多呈長柱狀，屬極軟巖，RQD>90為好，巖體基本質量等級為Ⅴ級，厚度4.90m～17.50m。

經過勘察，場地內邊坡巖層整體單斜產出，巖層產狀340°∠15°，處于欠穩定—基本穩定狀態。根據結構面與邊坡的關系，邊坡穩定性受外傾層間結構面控制，在雨季工況考慮裂隙水的作用，邊坡不穩定，可能的破壞形式為沿軟弱結構面發生順層滑動破壞。因此對邊坡進行加固處置，規范及設計要求邊坡加固后的穩定系數達到1.35及以上。

圖1 邊坡局部失穩垮塌

3 現狀邊坡數值模擬

取邊坡典型剖面，應用FLAC3D軟件建立數值計算模型。該邊坡坡高8.09m，坡率1：1.25，層間結構面傾角15°，間距約0.65m，巖層自上而下為強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。考慮邊界條件影響，根據工程實際建立一級邊坡，左側平臺高15.20m，長8.50m；右側平臺高7.11m，長8.00m，模型寬0.3m，兩級平臺均按一般附加荷載施加5kPa外荷載。圖2是現狀邊坡模型，淺灰色為K4強風化泥質粉砂巖（自上而下分層K4-1～K4-2），深灰色為K5中風化泥質粉砂巖（自上而下分層K5-1～K5-16），黑色是層間結構面，呈15°傾斜。模型參數見表1。模型計算中，結構面采用Interface單元，巖層采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，邊坡安全系數采用強度折減法計算，并得到邊坡臨界狀態。

表1 現狀邊坡數值模型參數

圖2 現狀邊坡三維模型

圖3 邊坡最大剪應變增量及速度矢量

經過數值計算，現狀邊坡安全系數1.01，處于臨界失穩狀態。結合邊坡結構面分布，由圖2及圖3中剪應變增量云圖可以推斷出邊坡潛在滑移面的位置：潛在滑動面沿坡腳結構面向深部延伸，與結構面重合，但在延伸約13.2m處拉裂上覆巖土體，最終貫通坡頂，貫通面距坡頂邊緣約5.5m，與邊坡現場局部失穩相吻合。

4 錨桿支護及優化設計

根據工程經驗和建筑邊坡工程技術規范，對該邊坡進行初步設計。采用錨固支護體系，肋梁錨桿+截排水措施，設置豎向肋柱+全長粘結型錨桿，肋柱為暗梁嵌入邊坡形式，錨桿設置3道，傾角25°，垂直間距2.0m，錨桿長度從上至下為：9.0m、9.0m、6.0m，錨桿參數：Φ32三級鋼筋錨桿，錨固體為M30水泥砂漿。錨固體與強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖的粘結強度分別為150kPa和280kPa，錨桿其他參數見表2。邊坡支護模型見圖4，深灰色為K5巖層，淺灰色為K4巖層，黑色為層間結構面，坡面布置肋柱及25°斜交巖層的錨桿，其中肋柱為實體單元，錨桿為結構單元。

圖4 邊坡初步設計支護模型

表2 錨桿參數

經過數值計算，在錨固支護初步設計條件下，邊坡安全系數達到1.67，處于穩定狀態且滿足相關要求。對支護后的邊坡狀態進行數值分析，首先是計算平衡后的穩定狀態，其次是強度折減法計算后的臨界狀態，前者分析支護后邊坡的穩定性，后者分析錨固支護后邊坡存在的變形趨勢。如圖5所示，邊坡錨固后巖土體發生微小變形，錨桿軸向應力最大值為300kPa，位于巖土體變形過渡帶。經強度折減計算達到臨界狀態時，錨桿軸向應力最大值達到1.28MPa，約為邊坡錨固穩定狀態下軸向應力最大值的4.27倍，此時，邊坡潛在滑移面向深部擴展，滑移面前后剪破巖體、中部與結構面重合。

圖5 錨固邊坡穩定狀態

以錨固支護初步設計為基礎，對其進行優化，首先通過分析錨桿分布（數量、位置）、錨桿長度對邊坡穩定性的影響，然后調整原有設計錨桿傾角，研究邊坡穩定性，最后根據錨桿分布的優化結果，分析兩根支護錨桿的垂直間距對邊坡穩定性的影響。

4.1 錨桿分布及長度對邊坡穩定性的影響

錨桿支護初步設計極大地提高了邊坡的穩定性，但其設計仍具有優化的價值。從未支護的邊坡失穩形態可以看出，現狀邊坡失穩潛在滑動面沿坡腳結構面向深部發展，對比錨桿支護體系，考慮兩個問題：①錨桿分布是否合理；②相比于現狀未支護邊坡潛在滑動面位置，錨桿是否過長。

針對以上問題，首先變動初步設計錨桿數量及位置，分析邊坡穩定性；其次在錨桿數量及位置變更后的設計基礎上，調整錨桿長度，分析邊坡穩定性。優化設計詳見表3、圖6。

表3 錨桿設計優化

圖6 錨桿設計優化模型

從安全系數變化可以看出：①調整初步設計錨桿數量，雖然邊坡安全系數稍稍減小，從1.67下降至1.65，但是成本大幅度降低；②調整兩排錨桿至肋柱中間，不改變2.0m的垂直間距，邊坡安全系數從1.65增加至1.72，表明兩排錨桿加固邊坡效果良好；③調整兩排錨桿長度，考慮潛在滑動面距離坡面的距離不同，分別將錨桿長度調整為9m+6m和6m+6m，安全系數分別下降了12%和19%，安全儲備較小。原設計在錨桿分布、長度上可以進行優化，一方面可大幅減少成本，另一方面邊坡穩定性大幅提高。

4.2 錨桿傾角對邊坡穩定性的影響

錨桿傾角的設置與邊坡傾角、巖層傾角有密切關系，本文邊坡傾角約40°，巖層傾角15°，初步設計錨桿傾角25°，邊坡安全系數1.67，坡面與錨桿呈65°、巖層與錨桿呈40°相交。研究錨桿傾角對邊坡穩定性的影響，調整錨桿傾角為15°、20°、25°、30°、35°、40°，計算結果見表4。

表4 錨桿傾角優化

如圖7所示，邊坡安全系數與錨桿傾角之間具有一定的關系，而對于順層巖質邊坡，邊坡錨固效果還與巖層傾角有關。一般情況下，錨桿與巖層或層面夾角不宜過小，錨桿與巖層大角度相交對于邊坡穩定更有利。結合本文計算結果，錨桿與巖層的夾角為45°～55°，即錨桿傾角在30°～40°，邊坡穩定性最優，這與文獻[11]中錨桿與巖層的最優夾角在40°～50°結論一致；隨著傾角增大，邊坡安全系數先緩慢增加，后基本呈線性增加趨勢。

圖7 邊坡安全系數與錨桿傾角的關系

圖8 邊坡安全系數與錨桿垂直間距的關系

4.3 錨桿垂直間距對邊坡穩定性的影響

考慮到邊坡高度對三排錨桿間距范圍的限制，結合上文的優化設計，在兩排9.0m錨桿+肋柱中間設計基礎上，調整錨桿垂直間距，垂直間距分別為1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m，對比分析邊坡穩定性。從邊坡的安全系數變化（圖8）可以看出：錨桿垂直間距2.0m～2.5m，邊坡穩定性最佳；垂直間距大于3.0m，安全系數小于1.7；錨桿間距小于2.0m，邊坡穩定性明顯減弱。由此表明，存在臨界間距使邊坡最穩定，錨桿間距小于臨界值，邊坡安全系數急劇減小，支護效果降低；大于臨界值，邊坡安全系數緩慢下降。邊坡安全系數與錨桿垂直間距擬合關系如式1所示，二者為三次函數關系：

F為安全系數，y為兩排錨桿的垂直間距。

經強度折減計算得到安全系數、錨桿軸力及邊坡位移云圖（圖9）。圖9表明：①兩根錨桿軸力分布不同，相較于第二排錨桿，第一排錨桿最大軸力部位距離坡面更近，表明第一排錨桿更先發揮作用；②邊坡錨固后臨界狀態下的潛在滑動面基本分布在錨桿末端或者繞過錨桿，與未錨固的邊坡滑動面分布明顯不同；③肋梁頂部巖土體剪切應變增量集中，在不良工況下，容易發生較大變形。

4.4 錨固優化設計結果

根據數值模擬結果，在錨固支護初步設計基礎上，進行優化設計：肋梁中間設置上下雙排錨桿，長度9.0m，傾角30°～ 40°，垂直間距2m～2.5m。相比于初步設計，不僅提高了邊坡穩定性，而且降低了邊坡加固成本，對于該工程實際具有重要意義。圖10是錨固優化設計剖面、立面圖，錨固設計：設置上下雙排錨桿，長度9.0m，傾角35°，垂直間距2.5m，安全系數1.72。

圖10 錨固優化設計剖面圖（左）和立面圖（右）（尺寸標注：mm）

5 結語

應用FLAC3D軟件對泥質粉砂巖順層邊坡穩定性、錨固設計及優化進行分析，得到結論如下：

①巖層傾角小于邊坡傾角的順層巖質邊坡失穩時，邊坡沿坡腳及以上多層結構面發生變形破壞，滑動面前、中部與結構面重合，后部拉裂巖土體。

②在邊坡錨固支護初步設計基礎上進行優化，滿足穩定性要求，根據數值模擬結果，對錨桿分布（數量、位置）、錨桿長度、錨桿傾角、錨桿垂直間距等設計因素進行優化：錨桿布置在邊坡中部較為合理；錨桿與巖層夾角為45°～55°對于邊坡穩定最有利，錨桿傾角增大，邊坡安全系數先基本呈線性增加后有降低趨勢；邊坡安全系數與雙排錨桿垂直間距為三次函數關系，存在峰值。提高了邊坡安全系數，降低了成本，對于工程實際具有參考意義。

③本文工程實例中，錨桿與巖層夾角在45°～55°范圍，邊坡安全系數最大，錨桿最優垂直間距在2.0m～2.5m范圍內，對邊坡穩定性最有利。