西南某高填方邊坡的變形及穩(wěn)定性數(shù)值模擬

別江波 宋龍龍 李志勇 劉宏

摘 要：通過分析西南某高填方邊坡填筑前的原地形和填筑后的設(shè)計方案，建立邊坡模型，對邊坡填筑體模型進(jìn)行自重條件下的變形及穩(wěn)定性模擬計算。結(jié)果顯示：最終的水平位移和沉降量最大部位均位于第一級平臺上部，水平位移最大值為1.63 m，沉降量最大值為2.55 m，且現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)為1.29。此外，該高填方邊坡特殊的“Y”字形山溝原始地形，對填筑體的水平位移和沉降量有較大的影響。

關(guān)鍵詞：高填方邊坡;變形;邊坡穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

中圖分類號：V351.1;TU43文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）16-0077-03

Abstract： Based on the analysis of the original topography before and the design scheme after the filling of the high filling slope， the slope model is established， and then the deformation and stability simulation calculation of the slope filling model under the condition of dead weight is carried out. The results show that the maximum horizontal displacement and settlement are located at the upper part of the first stage platform， the maximum horizontal displacement is 1.63 m， the maximum settlement is 2.55 m， and the safety factor of the current slope is 1.29. The special original topography of the "Y" shaped gully has a great influence on the horizontal displacement and settlement of the filling body.

Keywords： high fill slope;deformation;stability of slope;numerical simulation

某高填方邊坡位于我國西南地區(qū)，具有填方量大和填筑高度高的特點(diǎn)。它的變形往往與地基土及填料土的工程特性、地下水、降雨以及原地形地貌等有密切關(guān)系，一直以來都是較為復(fù)雜的工程問題。目前，針對高填方邊坡變形研究的方法主要有原位變形監(jiān)測、物理模擬以及數(shù)值計算等[1]。本文采用的數(shù)值計算是直接反映高填方邊坡實(shí)時變形特征和邊坡穩(wěn)定性的方法，可以通過計算結(jié)果更直觀地了解該高填方邊坡的變形特點(diǎn)。

1 數(shù)值模擬

1.1 高填方邊坡變形數(shù)值模擬

本文運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值模擬計算軟件建立模型，計算邊坡沉降位移、水平位移以及穩(wěn)定性安全系數(shù)，分析該邊坡的變形特點(diǎn)和穩(wěn)定性。

1.2 數(shù)值計算基本原理

歐拉法和拉格朗日法是流體力學(xué)中研究流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的兩種方法。其中，歐拉法是一種定點(diǎn)觀察法，拉格朗日法是一種隨機(jī)觀察法，本文采取的是拉格朗日法。拉格朗日法研究的是每個流體質(zhì)點(diǎn)隨時間變化的狀態(tài)。當(dāng)將該方法運(yùn)用到固體力學(xué)時，是將研究的區(qū)域劃分成網(wǎng)格，將節(jié)點(diǎn)當(dāng)作流體質(zhì)點(diǎn)，按模擬計算時步，用拉格朗日法來研究網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動[2-3]。

數(shù)值模擬是基于顯式差分法來求解運(yùn)動方程和動力方程。將計算區(qū)域分成若干單元網(wǎng)格，再將每個單元自動剖分為兩組重疊的常應(yīng)變單元，各單元之間由節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)。節(jié)點(diǎn)受荷載作用后，其運(yùn)動方程可以寫成時間步長為[Δt]的有限差分形式。在某一微小的時段內(nèi)，作用于該節(jié)點(diǎn)的荷載只對周圍若干節(jié)點(diǎn)有影響。根據(jù)單元節(jié)點(diǎn)的速度變化和時段[Δt]，可求出單元之間的相對位移，進(jìn)而求出單元應(yīng)變，最后利用單元材料的本構(gòu)關(guān)系即可求出單元應(yīng)力。隨著時段的增長，這一過程將擴(kuò)展到整個計算區(qū)域，在此基礎(chǔ)上求出單元之間的失衡力（不平衡力），將失衡力重新作用到節(jié)點(diǎn)上，再進(jìn)行下一步的迭代過程，直到失衡力足夠小或節(jié)點(diǎn)位移趨于平衡為止。模擬求解過程如圖1所示。

2 模型的建立和參數(shù)

填筑前，該邊坡原地形為“Y”字形山溝，如圖2所示。第一級平臺上部“Y”字形左側(cè)山溝底高差最大約80 m，填筑厚度為25～83 m;右側(cè)山溝底高差約30 m，填筑厚度為40～70 m。兩條山溝在第一級和第二級臺階區(qū)域匯合。原地基主要為粉土、黏土、碎石土以及強(qiáng)風(fēng)化的碳質(zhì)泥巖、粉砂巖和灰?guī)r[4-5]。經(jīng)強(qiáng)夯、碾壓填筑后，模型土面區(qū)填筑總高為156 m，道槽及影響區(qū)填筑總高度為76 m。填料主要由不同風(fēng)化程度的碳質(zhì)泥巖、石英砂巖以及碎石土等組成。同一填筑高度設(shè)計坡率相同，模擬計算為填筑結(jié)束后所建立的模型，共生成17 452個有限元區(qū)域和10 400節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。模型中各模塊所代表巖土層名稱和參數(shù)如表1所示。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 邊坡變形

對該高填方邊坡填筑結(jié)束后，在自重作用下，對模型進(jìn)行25 409步的計算，得到如圖4所示的最終水平方向位移等值線圖和如圖5所示的最終沉降量等值線圖。

3.1.1 模擬結(jié)果。第一級平臺上部區(qū)域水平位移為0.20～1.63 m，受原地形及填筑厚度的影響，該區(qū)域水平位移由兩側(cè)向中間逐漸增大，中間區(qū)域填筑體水平位移為0.20～1.40 m，向下靠近第一級平臺區(qū)域水平位移為1.20～1.63 m。第一級平臺上部區(qū)域沉降量為0.50～2.55 m，其中第一級平臺上部左側(cè)填筑體的沉降量為0.50～2.55 m，第一級平臺上部右側(cè)填筑體的沉降量為0.50～2.50 m。第一級平臺與第二級平臺間區(qū)域的水平位移為0.20～0.80 m，沉降量為0.50～1.50 m。第二級平臺下部水平位移為0.20～0.60 m，沉降量為0.50～1.00 m。

3.1.2 結(jié)果分析。①最終水平位移和沉降量最大部位均位于高填方邊坡第一級平臺上部，且受原地基“Y”字形山溝地形的影響，左右兩側(cè)山溝填筑體的水平位移和沉降量存在一定的差異，沉降作用對該高填方邊坡填筑體影響更大。②填筑體最大水平位移位于“Y”字形兩山溝交匯處，而沉降量最大部位位于左側(cè)山溝，表明原地形對填筑體水平位移影響較大。③位移集中部位主要位于左側(cè)山溝和兩溝交匯處，沉降集中部位則位于兩山溝處，可見原地形對水平位移影響明顯，而填筑厚度對沉降影響明顯。④受原地形起伏和填筑厚度自上而下減小的影響，最終水平位移和沉降量呈減小趨勢。

3.2 穩(wěn)定性計算及分析

采用關(guān)聯(lián)流動法計算邊坡穩(wěn)定性，剪切應(yīng)變主要分布于坡頂?shù)谝患壠脚_上部。邊坡穩(wěn)定性和位移矢量的模擬結(jié)果如圖6所示，邊坡位移矢量的俯視結(jié)果如圖7所示。由于左側(cè)山溝原地形溝底坡率較大，對該高填方邊坡填筑體影響大，導(dǎo)致該區(qū)域剪應(yīng)變區(qū)域集中。右側(cè)山溝處填筑體雖填筑厚度較大，但溝底坡率較小，故無剪應(yīng)變集中的現(xiàn)象。通過計算求解可知，該高填方邊坡安全系數(shù)為1.29，現(xiàn)處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)[6-9]。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬的方法研究西南某高填方邊坡的變形及穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論。

①該高填方邊坡特殊的“Y”字形山溝地形是導(dǎo)致兩山溝相匯處水平位移大的主要原因。

②最終水平位移和沉降量受下部原地形起伏及填筑厚度的影響，隨著原地形及填筑厚度的減小呈減小趨勢。

③原地形的起伏更多的是影響填筑體的最終水平位移，填筑厚度則更多影響最終沉降量。

④該高填方邊坡填筑體下部原地形起伏程度是導(dǎo)致剪應(yīng)力集中的主要原因。

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