ABAQUS強度折減法在抗滑樁邊坡穩定性監測中的應用

彭鐘　張志超　熊雅文　李杭哲

摘要：為了合理設置抗滑樁邊坡監測的監測點、監測方式及監測預警值，文章利用ABAQUS軟件建立了三維有限元模型，采用強度折減法對廣西某高速公路抗滑樁邊坡段進行了邊坡失穩狀況模擬，并對比分析了現場失穩監測數據和數值模擬結果，發現模型失穩時的抗滑樁頂位移值與實測值僅有2 mm的不閉合量，驗證了所建模型的精度較高，說明以強度折減法來模擬抗滑樁邊坡失穩是可行的。研究結果可為今后類似的抗滑樁邊坡監測提供參考。

關鍵詞：抗滑樁;邊坡;強度折減法;數值模擬;監測

0 引言

我國高速公路經過多年的發展建設，交通網絡已日益完善，人民群眾的出行也更加快捷方便。我國地域遼闊，地形地貌復雜多樣，高速公路沿線的邊坡數量眾多。據每年統計的高速公路災害事故中，邊坡災害事故占比第一，邊坡失穩嚴重威脅著人民的生命財產安全。為了提高邊坡的穩定性，抗滑樁是重要的邊坡防護措施之一，通過將抗滑樁嵌入邊坡體可以有效提高坡體穩定性，降低邊坡失穩風險，而抗滑樁對邊坡體穩定性的提高是有限的，邊坡失穩的可能性依舊存在。邊坡失穩是邊坡變形累積到一定量值的結果，針對這種情況，邊坡穩定性監測顯得至關重要。邊坡穩定性監測通過布設監測點，觀測邊坡的變形發展狀況，當變形累積到一定量值后及時預警，便可以最大限度地降低生命財產損失。為保證邊坡監測的準確性與可靠性，本文通過ABAQUS有限元分析，結合實際邊坡工程，論述邊坡監測點的布置及邊坡監測手段的選擇，得出的相關結論可為以后類似的邊坡監測提供參考。

1 邊坡強度折減模型

1.1 工程概況

廣西某高速公路K2686+600～K2687+500下行線路塹邊坡為古滑坡治理區，滑坡區出露、揭露地層主要為第四系殘坡積堆積物（Q el+dl），第四系沖積物（Q al）;基巖為泥盆系中統地層和下統那高嶺組（D1n）、蓮花山組（D1l）。該地區年平均降雨量為2 046 mm，且為廣西多雨、暴雨中心地帶之一。邊坡體粉砂質泥巖較多，遇水易軟化，且坡體內部巖層完整性較差，節理裂隙發育，在降雨作用下有利于滑移面的發展。邊坡抗滑樁處置坡段高30 m，坡度為1∶1，樁長為16 m，直徑為1 m，樁間距為5 m，樁位置距離坡腳為10 m，樁端距離巖土體底部5 m。為監測這段坡體的穩定性，監測單位于2019年7月對該段坡體布設了監測儀器與測點。

1.2 建立有限元模型

1.2.1 基本假設

（1）樁體、坡體為均質，各向同性材料。

（2）忽略植被對坡體表面的加固作用。

（3）不考慮坡體后方穩定巖土體的影響。

1.2.2 材料選取

坡體采用彈塑性模型，塑性部分采用摩爾-庫倫屈服準則，抗滑樁采用彈性模型。具體材料參數根據現場地勘資料選取，具體如表1所示。

1.2.3 模型大小

利用對稱性取抗滑樁邊坡一剖面段進行1∶1建模，剖面厚度為2.5 m，單元類型采用C3D8單元，單元數量為15 020個。

1.2.4 分析工況

整個分析過程分為地應力平衡與強度折減，地應力平衡采用ODB地應力平衡法，強度折減通過設置材料場變量的方式實現。

1.2.5 邊界條件

模型前后限制X方向位移，左右限制Y方向位移，底部固定。

2 模型結果分析

2.1 地應力平衡

地應力平衡效果如圖1所示。

地應力平衡最大位移在10 e-4 m數量級，且邊坡豎向應力分布符合一般規律，地應力平衡成功。

2.2 邊坡強度折減失穩結果

邊坡模型失穩位移變形結果如圖2所示。

由圖2可知：

（1）抗滑樁邊坡失穩最大合位移發生在抗滑樁頂及坡頂平臺位置，抗滑樁合位移呈水平向，坡頂平臺合位移呈垂直向。

（2）抗滑樁至坡腳部分坡體位移要普遍大于樁后坡體。

（3）坡體巖土體位移矢量路徑呈圓弧狀。

（4）X方向水平位移主要集中于抗滑樁下方坡體，樁后側坡體水平位移量較小，在距離坡腳4 m附近的坡面區域位移變形值最大。

邊坡失穩過程塑性分布發展情況顯示：

（1）邊坡塑性變形最早出現在樁頂前側接觸部分及坡腳附近處。

（2）隨著邊坡強度的不斷折減，坡腳位置處的塑性區域不斷擴大，且樁后側坡體深處出現塑性區。

（3）邊坡失穩時的塑性區域貫通為近似圓弧面，且坡腳位置處的塑性量最大。

以坡腳與平臺交接處一點為特征點，折減系數FV1與水平位移U1的關系曲線如圖3所示。

當折減系數達到1.83時，邊坡達到臨界破壞狀態，計算不收斂，因此本抗滑樁邊坡穩定系數取1.83，抗滑樁對邊坡的穩定性加固效果較好。曲線在FV1=1.2與FV1=1.61處都出現過突變，但在后續曲線變化中都恢復平穩，因此未選取作為安全系數值。

抗滑樁前后側面接觸應力如圖4所示。

由圖4可知：

（1）抗滑樁前后兩側初始接觸應力沿埋深大致呈線性增長分布，其大小與地應力場分布有關。

（2）邊坡折減失穩狀態時，抗滑樁前后兩側接觸應力出現雙峰型分布。這是由于樁承受后方坡體推力，淺處樁側擠壓前方接觸面，與后方接觸面分離，抗滑樁撓曲變形及深處坡體沿滑移面移動造成接觸面的擠壓形成接觸應力峰值。

（3）抗滑樁端部存在一般的應力集中現象。

3 監測結果評估

本邊坡段一共有5個棱鏡觀測點布設于抗滑樁頂，分別為測點6、7、8、9、10，從2019-07-04觀察至2020-09-22，觀測結果曲線如圖5所示。

本段邊坡抗滑樁頂部監測點在2020-07-03位移值出現了穩定性抬升，其中測點6和測點7的合位移值穩定在了15 mm以上，并于2020年7月底由養護巡視人員發現這兩個測點的下方坡腳處發生了局部滑塌。

而從圖2可知有限元模型失穩狀態下的抗滑樁頂合位移為13 mm，模型失穩樁頂位移值與實測樁頂位移值較為接近，模擬較為成功。

由以上結果得出如下結論：

（1）邊坡監測借助有限元強度折減法進行監測點布置及預警值設置是可靠的。

（2）針對設有抗滑樁的邊坡監測，地表位移監測點宜設置于抗滑樁頂、坡頂平臺以及距坡腳較較近的坡面處。

（3）深部位移監測點宜垂直埋設于抗滑樁之間。

（4）土壓力盒宜布設于抗滑樁前后兩側。

（5）監測點位置不同，其相應失穩預警值也不同。

（6）監測點宜布設于變形較為敏感位置。

4 結語

抗滑樁在邊坡治理中的應用提高了邊坡體的穩定性，而邊坡監測更是預防邊坡失穩的重要手段。本文結合有限元軟件ABAQUS對抗滑樁邊坡進行強度折減模擬，得到了抗滑樁邊坡失穩形態，也為此類邊坡的監測工作提出如下幾點建議：

（1）對設有抗滑樁的邊坡，監測點宜設于抗滑樁頂、坡頂平臺及距坡腳較近的坡面位置。

（2）深部位移監測宜布設于抗滑樁之間。

（3）土壓力盒宜布設于抗滑樁前后兩側。

（4）不同位置處的地表監測點應按不同界限值進行監測預警。

（5）監測預警值宜小于邊坡失穩界限值。

邊坡穩定性監測是具有不確定性的，只有對邊坡進行準確合理的應力應變監測才能最大限度地掌握邊坡變形趨勢，進而才能及時預警，降低生命財產損失。

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