基于GEOSTUDIO軟件邊坡加固效果研究

高延香

（陜西省延安市寶塔區水資源與節約用水中心,陜西 延安 716000）

1 前言

邊坡失穩對工程安全影響巨大,對此學者們也進行了大量的研究,夏怡等[1]認為考慮降雨對邊坡失穩研究時,應當考慮巖土體飽和-非飽和滲流作用,通過此作用計算的安全系數更符合工程實際。陶偉等[2]研究了降雨對川藏線邊坡失穩的影響,通過Geo-studio 數值模擬和簡布條分法對邊坡的穩定性進行了計算,計算結果表明：兩者計算結果差值較少,說明可以利用Geo-studio 數值模擬邊坡安全性數據,為邊坡治理提供參考。趙海峰[3]通過對地質分區,再對邊坡的穩定性進行分析的方法,計算得到了邊坡穩定性更符合實際,此方法也可供類似的礦山邊坡工程提供參考。苗高飛[4]利用SLIDE 軟件對邊坡進行治理,如削幫壓腳、施加錨桿和排水系統等進行了技術指導,并通過監測數據證實,此研究方法能夠合理有效地治理邊坡失穩。劉彥等[5]對棄土場邊坡穩定性進行了研究,利用了Spencer 法、M-P 法和GLE 法3 種極限平衡方法,分析了4 種工況邊坡的穩定性,研究結果表明：以上三種方法分析結果接近,說明工程應用其中三種方法均可用。賀云等[6]對含軟弱夾層的邊坡穩定性進行了研究,研究結果表明：軟弱夾層可降低邊坡穩定性,對滑動面形狀也有影響。趙允坤等[7]提出粒子群優化模型對邊坡穩定性進行研究,研究結果表明：此模型計算的邊坡穩定性接近真實值,具有較高的預測精度。孫世國等[8]利用臨界滑移場原理,對邊坡穩定性進行了研究,研究結果表明：反壓回填能有效控制邊坡變形,將穩定性系數提高1.4 倍。劉士全等[9]研究了黃土邊坡的穩定性,研究結果表明：填料和地基土性質對黃土邊坡的穩定性有較大的影響。苗高飛[10]對三種振動類型下的邊坡的穩定性進行了研究,研究結果表明：工程爆破對邊坡穩定性影響最大,并針對三種振動類型提出相應的治理措施和方案。

以上研究已取得了大量的成果,但是邊坡失穩后的治理和設計方案是否合理,是否滿足工程要求,針對此問題本文結合一實際邊坡工程,通過GEO-STUDIO 軟件對邊坡的滑動面、穩定性系數和治理方案進行研究。

2 工程概況

該邊坡位于陜西省延安市內,經過地質勘察巖土體的物理力學性質見表1,采用傳統的坡面噴砼、施加土釘和設計抗滑樁的方式進行加固。

圖1 邊坡未加支護 （單位：m）

表1 巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

數值模擬采用GEOSTUDIO 進行數值模擬計算,模型中砼采用C20,C20 砼定義為彈性材料,重度為32.1 kN/m3,體積橫量為7.63×106kN/m3,剪切模量為6.63×106kN/m3,泊松比為0.21；土釘采用鋼單元,鋼單元定義為彈性材料,重度為49.1 kN/m3,體積橫量為6.23×1011kN/m3,剪切模量為5.53×1011kN/m3,泊松比為0.20；抗滑樁采用C30 砼,C30 砼定義為彈性材料,重度為38.4 kN/m3,體積橫量為8.23×106kN/m3,剪切模量為7.43×106kN/m3,泊松比為0.20。

3.2 邊坡初始安全性和剩余下滑力

采用GEOSTUDIO 進行數值模擬計算,邊坡的計算的滑面結果見圖2。

圖2 未加支護邊坡滑面計算結果

由圖2可知,邊坡在沒有支護的情況下,安全系數為1.023,說明邊坡基本處于半穩定狀態,若沒有地震和暴雨作用,邊坡是能夠達到穩定,但是安全儲備不夠,此狀態依然需要加固,以達到不對人民生命安全和財產安全造成威脅的目的。

結合圖2滑動面,利用瑞點條分法計算的剩余下滑力見表2。

表2 自然工況下的剩余下滑力

由表2可知,因為第一個條塊下滑力小于抗滑力,因此暫不計滑坡推力,僅第11 條塊下滑力小于抗滑力,說明第11個條塊已處于抗滑段,在此處后方設置抗滑樁有利于抗滑樁的穩定,經計算邊坡在自然工況下的滑坡推力為1630.7 kN/m。

3.3 支護后的邊坡及其安全系數

采用支護后的邊坡見圖3,在一級平臺左上方設計抗滑樁,對坡體進行土釘的施加,對坡面噴砼,本文的研究重點是邊坡的穩定性,因此暫不考慮土拱效應的影響[11-14]。

圖3 支護后的邊坡 （單位：m）

施加支護措施后邊坡的形態見圖4。

圖4 支護后邊坡的安全系數圖

由圖4可知,邊坡的安全系數為1.389,按照工程要求可知,邊坡的安全系數至少應當超過1.40,因此可認為施加的安全措施是達不到工程要求的。

3.4 提高安全系數應對措施

結合表2計算的抗滑樁的尺寸和布置方式是滿足工程要求的,且由圖3可知,抗滑樁位于坡腳,正處滑動面范圍內,滑動面也穿過了抗滑樁的中部,說明抗滑樁的長度也是滿足工程要求的。

另一方面,離坡腳處土釘是穿過滑動面的,但是越往上土釘的長度明顯是沒有穿過滑動面的,土釘的長度設計中應當分錨固段和自由段,自由段長度與滑動面位置有關,錨固段長度應當結合土壓力和錨固力進行綜合比選,由此可知,土釘的錨固段長度是明顯不足的,進而導致土釘的設計長度不足,設計長度不足會導致土釘不能發揮阻止滑動面進一步破壞的作用,因此可結合滑動面范圍重新設計土釘長度。

由以上的分析可知,抗滑樁的尺寸是滿足工程實際需求,土釘的長度不足,不能起到阻止滑動形成的作用,可適當提高土釘長度,以提高邊坡安全系數。

3.5 數值模擬總結

邊坡在自然工況下穩定性是0.998,若不發生較大的地震或暴雨狀態,邊坡的穩定性是可以保障的,但是安全儲備不夠,需對邊坡進行加固,邊坡安全系數須達到1.40。

自然工況下計算邊坡的潛在滑動區域,結合滑動區域進行剩余下滑力的計算,結合計算的結果對抗滑樁進行設計,設計的抗滑樁的尺寸是滿足工程要求的。

土釘的設計長度中錨固長度是明顯不足的,進而導致土釘的整體長度是不足的,土釘長度設計不足導致土釘無法發揮其阻滑效果,進而導致支護后邊坡的安全系數不足。

進一步處置措施中,應當適當增加土釘的設計長度,以保證土釘發揮其應有的阻滑作用,進而達到提高邊坡穩定性的目的。

4 結論

本文對支護后邊坡的安全性進行評價,通過數值模擬對邊坡進行模擬,結合模擬結果進行支護措施的設計,可得到如下的結論：

（1）邊坡在自然工況下安全系數為0.998,為了保證邊坡不在惡劣環境下失穩,須對邊坡進行加固,加固措施選擇土釘+抗滑樁的組合加固形式；數值模擬計算邊坡潛在滑動面,并結合此滑動區域進行剩余下滑力的計算,計算結果表明此滑坡推力較少,抗滑樁采用常規尺寸即可。

（2）結合數值模擬和剩余下滑力結果,設計的抗滑樁尺寸滿足工程要求,但是土釘的設計尺寸明顯偏小,導致邊坡的安全系數過小；加固后的邊坡安全系數為1.389,小于工程要求的安全系數,可通過適當提高土釘長度的方法,提高邊坡安全系數。

（3）本文僅從安全系數方面對邊坡加固措施進行研究,沒有從位移、受力、剪應變區域進行研究,此方面的研究有待進一步深入。