貴陽紅黏土邊坡數值模擬分析及防護技術研究*

王磊，陳開圣，張穎，蔣洪，蔣浩

(1.貴州大學 土木工程學院， 貴州 貴陽 550025；2.中國建筑第四工程局有限公司 工程技術研究院（技術中心）， 廣東 廣州 510665)

0 引言

我國紅黏土主要分布于南方，如廣西、貴州、云南、廣東及湖南等省份，由于紅黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性質，而且南方地區(qū)雨水多，降雨誘發(fā)、干濕循環(huán)等復雜氣候環(huán)境導致紅黏土邊坡產生病害[1]。一些紅黏土邊坡按照規(guī)范設計卻在早期運營階段甚至是施工階段出現了破壞，工程技術人員對此尚不能給出很好的解釋[2]。紅黏土邊坡的破壞與一般的土質邊坡有很大差別，表現在其破壞多從坡腳開始，呈“一窩一窩”的坍塌，其滑動面類似于“兒”字的左撇，不是典型的圓弧滑動，滑動剪切出口很少進入路基，導致路基拱起或推移等；而且通過調查，發(fā)現紅黏土邊坡破壞主要為沖溝、風化剝落、坍塌、溜塌及整體失穩(wěn)破壞，但大部分屬淺層滑動[3?5]。其破壞模式與特征復雜，采用圓弧條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數與實際不符。

邁達斯GTS NX是一套針對巖土和橋隧專業(yè)的巖土數值模擬軟件[6]，可以采用3D/2D模式，能夠分析多種問題，適應不同用戶的需求，用戶能便捷建立復雜的網格模型，模擬不同工況下邊坡的穩(wěn)定情況，得出不同工況下的安全系數[7]。邊坡穩(wěn)定分析就是通過計算分析邊坡內部的剪切應力和剪切強度，計算邊坡的穩(wěn)定性[8]。Midas GTS NX中邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法，其原理是將邊坡巖土體的強度參數不斷折減，直致邊坡達到破壞，此時計算出邊坡的滑動面和安全系數[9?10]。強度折減法在有限元數值模擬分析中不需要事先判別滑動面，方便快捷，因此被廣泛應用在邊坡計算分析中[11]。

在紅黏土邊坡的防護措施方面，公路、鐵路等部門通過大量的工程實踐，提出了擋土墻、抗滑樁等多種防護措施，針對同一個邊坡不同的設計人員常會有多種方案，且技術、經濟、環(huán)境效果差別較大。但對不同的防護方案的適用范圍、效果分析、經濟環(huán)境比較等方面的研究較少，而這又是工程技術人員的需要。因此，本文通過數值模擬不同防護措施下紅黏土邊坡安全系數，對比分析不同防護方案的優(yōu)劣，推選出紅黏土邊坡適宜的防護措施。

1 紅黏土與支護結構物理力學參數

根據室內土工試驗和閱讀文獻資料，確定的紅黏土基本物理力學參數見表1。根據資料顯示，錨桿一般采用HRB335和HRB-400型號的鋼筋，混凝土采用C30混凝土，本文擋土墻、抗滑樁和框架梁均采用C30混凝土材料，根據《鋼結構設計標準》和《混凝土結構設計規(guī)范》，確定支護結構參數見表2。

表1 紅黏土基本物理力學參數

表2 各種支護結構物理力學參數

2 紅黏土邊坡模擬分析

根據氣象資料，貴陽市6月份日降雨量最大為54.3mm，最長降雨時間為12 h，即模擬邊坡采用降雨量和降雨時間分別為54.3mm（暴雨級別）和12 h。在降雨狀況下模擬不同防護形式的防護效果，對比分析各種支護方式的優(yōu)劣。

擬定1級、2級紅黏土邊坡坡率分別為1:1.5，1:1，坡總高20m。根據鄭穎人等關于有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用研究可知，當坡腳右端邊界的距離為坡高的1.5倍，坡頂到左端邊界的距離為坡高的2.5倍，且上下邊界總高不低于2倍坡高時，計算精度最為理想準確[12]。將模型按理論在CAD中畫出，利用Midas GTS NX導入DXF文件功能，自動生成邊坡外圍輪廓線，通過室內土工試驗和查詢規(guī)范選取合適的材料參數，設置邊坡土體和各防護結構的材料和屬性，對土層和各支護結構賦予設置好的材料屬性并采用三角形+四邊形單元劃分網格；巖土體采用摩爾-庫倫本構模型計算，支護結構采用彈性模型，邊界條件固定前后左右和底部，并施加重力場和降雨邊界，建立如圖1所示的幾何模型。

圖1 2級邊坡幾何模型

2.1 無支護

《建筑邊坡工程技術規(guī)范》規(guī)定永久性邊坡一般工況下邊坡安全系數須不小于1.35。模型模擬邊坡為2級紅黏土邊坡，1級坡坡率1:1.5，2級坡坡率1:1，坡高20m，邊坡設計參數見表1和表2。強度折減法模擬計算結果表明：無防護邊坡安全系數為0.9，邊坡不穩(wěn)定。從圖2可以看出，無防護邊坡土體應力從上至下逐漸增加，符合地應力賦存規(guī)律；2級邊坡剪應力等值線從坡體深處向臨空面呈弧形延伸，容易發(fā)生剪切破壞，1級邊坡在放坡到1:1.5坡率下，剪應力等值線曲線呈均勻層狀，并未向臨空面延伸，剪應力在坡腳未出現局部匯聚現象，說明放坡能有效減緩剪應力分布。從圖2～圖4可以看出，邊坡在進行放坡后雖改變剪應力分布，但無防護條件下，邊坡自身自重及雨水沖刷條件下使坡體產生較大位移變形，邊坡最大位移為97mm，形成一個潛在滑動面，塑性貫通區(qū)從坡腳延伸至坡頂（見圖4），邊坡發(fā)生破壞。綜上所述，放坡能夠有效增強邊坡穩(wěn)定性，改善土體內部剪應力分布，減緩坡腳應力集中現象，但放坡局限性較大，對周邊環(huán)境及邊坡高度要求高，大多數工程中很難滿足放坡要求。

圖2 無防護剪應力云圖

圖3 無防護位移云圖

2.2 擋土墻支護

根據《公路路基設計規(guī)范》，本次模擬擋土墻設置高度為6.5m，墻體用C30混凝土筑成，墻寬度為2m，埋深為1.5m，采用實體單元模型，參數見表2。

圖4 無防護塑性區(qū)云圖

擋土墻模擬計算后安全系數為1.2，邊坡基本穩(wěn)定，根據模擬結果顯示，擋土墻的布設有效地抑制了坡腳處的位移，使坡體趨向穩(wěn)定，模擬計算后安全系數為1.2，相對無防護下的安全系數0.9提高了33個百分點。從圖5～圖7可以看出，擋土墻有效地抵抗了邊坡土壓力，剪應力分布集中在擋土墻墻身處，對邊坡向外滑出起到阻擋作用。且剪應力等值線在擋土墻處出現折斷，沒有形成向坡外剪出的圓弧狀剪應力線。從圖7塑性區(qū)可以看出，加設擋土墻后，邊坡滑動面位置發(fā)生改變，呈弧形從坡中部延伸至擋土墻墻頂，與未防護下滑動面從坡頂延伸至坡腳相比，邊坡穩(wěn)定性提高，說明擋土墻對邊坡整體穩(wěn)定起到了一定效果。

圖5 擋土墻位移云圖

圖6 擋土墻剪應力云圖

圖7 擋土墻塑性區(qū)云圖

2.3 抗滑樁支護

根據《公路路基設計規(guī)范》，本次模擬采用高為8m，截面為1m×1m的抗滑樁防護，抗滑樁材料為C30混凝土，采用實體單元建模，其結構物理參數見表2，鋼筋布置見圖8。

圖8 抗滑樁鋼筋布置

抗滑樁支護模擬計算后安全系數為1.22，比無支護時增加0.32，邊坡穩(wěn)定性提高，邊坡基本穩(wěn)定。從圖9和圖10可以看出，抗滑樁的布設對邊坡滑動起到很好的抑制作用，邊坡位移大幅度減小，最大位移由無防護的97mm減小到61mm左右，剪應力集中在樁體中部，剪應力等值曲線在樁體處折斷，說明樁體阻礙邊坡土體下滑，且剪應力等值線在樁底部向坡里轉折隨后再向坡外轉折，形成一個“泡狀”凹槽，表明抗滑樁底部周圍坡體剪應力增大，滑坡體的推力通過樁傳遞到滑動面以下的穩(wěn)定巖層，整體上提高了邊坡的穩(wěn)定性，從圖11亦可看出，邊坡塑性貫通區(qū)面積明顯減少，說明樁體抑制住了土體變形，有效防止邊坡向下滑動。但防治效果是有限的，塑性貫通區(qū)隨時間推移可能延伸至坡頂，依然存在滑塌隱患。

圖9 抗滑樁位移云圖

圖10 抗滑樁剪應力云圖

圖11 抗滑樁塑性區(qū)

2.4 錨桿支護

根據《公路路基設計規(guī)范》，錨桿設直徑為0.025m，施加200 kN預應力，錨桿間距為3m，植入深度1級坡為15m，2級坡為13m，自由段1級坡為9m，2級坡為8m，錨固段1級坡為6m，2級坡為5m，植入角度為15°，參數見表2。

錨桿支護模擬計算的邊坡安全系數為1.13，邊坡基本穩(wěn)定，但相比于規(guī)范1.35的要求，尚不能滿足，從圖12～圖14可看出，邊坡最大位移明顯減小，錨桿提高了土體抗剪能力，剪應力等值線在加固區(qū)無法形成連續(xù)曲線，且在錨桿頂端形成圓圈狀，錨桿對土體起到一定加固作用，但效果并未達最佳，從圖14可知，邊坡塑性區(qū)相比無支護時有明顯減少，且塑性區(qū)向坡體深處錨桿錨固段后偏移，說明錨桿加固使表層土與深層土黏合在一起，錨桿將下滑力傳遞至深層穩(wěn)定土層中，增強抗剪抗下滑能力，但塑性區(qū)范圍較大，有滑塌可能。而在錨桿端頭出現塑性區(qū)集中現象，是因為錨桿預應力加固土體使周邊土體出現變形，這種變形在坡面未防護下土體表層可能向臨空面方向變形，對邊坡穩(wěn)定性而言存在安全隱患。

圖12 錨桿位移云圖

圖13 錨桿剪應力云圖

圖14 錨桿塑性區(qū)云圖

2.5 框架梁支護

根據《公路路基設計規(guī)范》，框架梁單元尺寸不小于3m×3m，框架梁采用植入式梁單元進行析取，框架梁截面為3m×3m，材料為C30混凝土，物理參數見表2。

從模型計算得出框架梁防護安全系數為1.15，邊坡基本穩(wěn)定，從圖15可以看出，邊坡最大位移從未防護時的97mm減小至63mm，框架梁抑制了邊坡位移，從圖16可以看出，剪應力等值曲線在坡體內并未形成連續(xù)弧線，且在坡腳出現折回，說明框架梁有效抵抗了坡內土體產生的剪應力，但因坡腳無支檔結構，應力集中現象較明顯，容易發(fā)生剪切破壞；由圖17可知，在框架梁防護下，邊坡塑性貫通區(qū)明顯減少，且并未與坡頂貫通，塑性區(qū)沿框架梁向上擴展，框架梁下土體與框架梁脫離，框架梁變形，說明框架梁抑制土體變形，有效防止邊坡向下滑動。由此可見，框架梁支護對坡體穩(wěn)定性提高有一定的效果，但還不能滿足規(guī)范要求。

圖15 框架梁位移云圖

圖16 框架梁剪應力云圖

圖17 框架梁塑性區(qū)云圖

3 結論

（1）強度折減法模擬計算結果表明，無防護邊坡安全系數為0.9，最大位移為97mm，邊坡不穩(wěn)定；放坡雖能夠有效增強邊坡穩(wěn)定性，改善土體內部剪應力分布，減緩坡腳應力集中現象，但放坡局限性較大，對周邊環(huán)境及邊坡高度要求高，大多數工程很難滿足放坡要求。

（2）擋土墻、抗滑樁、錨桿和框架梁支護下模擬計算的安全系數分別為1.2、1.22、1.13、1.15，最大位移分別為61.8mm、61.3mm、61.9mm和63mm，即單一支護方式抗滑樁支護最優(yōu)，其次是擋土墻和框架梁支護，最差是錨桿支護，但安全系數均不滿足規(guī)范要求。

（3）對于2級紅黏土防護僅僅采用單一支檔結構并不能達到良好的效果，擋土墻、抗滑樁、錨桿和框架梁雖能加固邊坡，提升邊坡穩(wěn)定性，增強邊坡土體抗下滑能力，但單一的支護在邊坡中很難全面保證邊坡的安全性以及美觀性。

（4）各防護條件下邊坡最大位移較無防護時平均減小32mm。單一支護雖可以提高紅黏土邊坡穩(wěn)定性，但安全系數均達不到規(guī)范要求，今后應考慮模擬研究復合支護方式下能否滿足規(guī)范要求。