高填土邊坡穩定性及支護措施數值模擬研究

李兄蓮

摘要：文章以海東市云驛光伏電站填土邊坡加固處理工程為依托，利用強度折減法通過ABAQUS軟件對邊坡的3種支護方案進行研究，分析了填土邊坡在重力式擋土墻、抗滑樁和預應力錨索支護作用下邊坡的穩定性。研究結果表明：邊坡未支護、采用重力式擋土墻、抗滑樁支、預應力錨索支護后，邊坡的最大水平位移分別為45.54?cm、42.26?cm、14.24?cm、3.18?cm；對應的最大塑性應變為0.267、0.252、0.048、0.008；安全系數分別為1.3、1.32、1.48、1.81。通過對3種支護方案的比較分析，對于填土邊去皮采用預應力錨索支護是較優的支護方案。

關鍵詞：邊坡加固??重力式擋墻??抗滑樁??預應力錨索

中圖分類號：TU43???文獻標識碼：A

Research?on?the?Numerical?Simulation?of?the?Stability?and?Support?Measures?of

of?the?High-Fill?Slope

LI?Xionglian

（?Qinghai?Coal?Geology?Bureau，?Xining，?Qinghai?Province，?810012?China）

Abstract：?Based?on?the?reinforcement?treatment?project?of?the?fill?slope?of?the?Yunyi?Photovoltaic?Power?Station?in?Haidong?City，?this?paper?uses?the?strength?reduction?method?to?study?three?support?schemes?of?the?slope?through?ABAQUS?software，?and?analyzes?the?stability?of?the?slope?of?the?fill?slope?under?the?support?of?the?gravity?retaining?wall，?slide-resistance?pile?and?pre-stressed?anchor?cable.?The?results?show?that，?after?the?slope?is?unsupported?and?uses?the?support?of?the?gravity?retaining?wall，?slide-resistance?pile?and?pre-stressed?anchor?cable，?the?maximum?horizontal?displacement?of?the?slope?is?45.54?cm，?42.26?cm，?14.24?cm?and?3.18?cm?respectively，?the?corresponding?maximum?plastic?strain?is?0.267，?0.252，0.048，?0.008，?and?that?the?safety?factors?are?1.3，?1.32，?1.48，?1.81?respectively.?Through?the?comparison?and?analysis?of?three?support?schemes，?the?use?of?pre-stressed?anchor?cable?support?for?the?peeling?of?the?fill?edge?is?the?better?support?scheme.

Key?Words：?Slope?reinforcement;?Gravity?retaining?wall;?Slide-resistance?pile;?Pre-stressed?anchor?cable

中圖分類號：???????????????文獻標志碼：

在實際工程建設中，常遇到人工填土、半填半挖人工邊坡以及土體邊坡，這些邊坡一旦坡腳被擾動，很容易出現邊坡失穩問題。對這種類型的邊坡穩性的分析，很多學者進行了深入的研究，鄢好[1]采用隨球模型對無限長土坡進行了穩定性研究與分析，李會[2]采用變分法對土坡的穩定性進行研究，李雨濃[3]采用擬動力法研究了地震效應下非均質土坡的三維穩定性問題，李見飛[4]和曾紅艷[5]研究了抗滑樁加固土坡的支擋效果，王瑄[6]和魏博[7]對土坡分析別采用加固樁和強夯與碎石樁的支護效果也進行了詳細的研究與分析。這些研究成果為土坡的穩定性分析與支護提供了很好的理論意義。

文章基于某一人工填土邊坡的支擋加固處理，采用數值模擬方法，在分析其穩定性的基礎上，分別對采用重力式擋墻、抗滑樁以及預應力錨索的支擋加固措施進行對比分析，確定合適的填土邊坡的加固方案，為類似工程提供借鑒。

1?工程概況

擬建工程為云驛光伏電站填土邊坡加固處理工程，工程位于青海省海東市樂都區雨潤鎮紅坡村。該光伏電站于2017年建成運行，建設過程中由于半挖半填形成了黃土素填土邊坡，填土高度8m左右。自電站使用以來由于站場內防排水系統不完善和站外無排水系統，歷經數次暴水后邊坡部分地段垮塌，地面出現沉降、裂縫，人工填土邊坡處于不穩定狀態。

根據勘探點揭露，填土邊坡地基土由第四系①層素填土、②層黃土組成。地層巖性特征自上而下分述如下：①層素填土（Q4ml）：在場土內均有分布。呈黃褐色，松散～稍密，稍濕。以粉土為主，含少量植物根莖，局部含塊礫石，具濕陷性，中壓縮性，層底厚度6.50～8.30?m，層底高程：2?323.79～2?321.38?m。②層黃土（Q3eol）：該層全場分布，淺黃褐色，稍密～中密，稍濕，以粉土為主，粉砂質含量高，孔隙發育，搖振反應中等，無光澤，干強度低，韌性低，具濕陷性，中壓縮性，場地內層厚大于1?m。

2?計算模型的建立

該邊坡為土質邊坡，為簡化計算，對實際工程中的邊坡模型進行簡化，選取有代表性的斷面建立二維計算模型進行模擬計算。假設邊坡巖土體連續均勻分布，邊坡土體采用摩爾-庫倫本構模型。該邊坡模型尺寸長38.3?m，高18.3?m，所選斷面坡高8.3?m，坡度1：1。模型底部采用全約束，模型兩側約束水平方向的變形。數值模擬的模型尺寸如圖1?所示，圖中數值單位為m。

3?初始邊坡狀態分析

利用強度折減法原理，將內摩擦角和粘聚力增設場變量，進行邊坡穩定分析[8]：

（1）

（2）

經計算，邊坡初始狀態邊坡塑性區云圖如圖2所示，原始邊坡具有明顯的滑動面，此時邊坡的最大塑性應變值為0.267。邊坡水平位移最大變形發生在邊坡底部素填土與黃土交界處，為45.54?cm。有限元軟件進行計算中斷后的場變量系數即為邊坡穩定性系數，邊坡穩定性系數為1.3[9]。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB?50330-2013）邊坡工程安全等級分類，邊坡背靠光伏電站，即為一級邊坡，安全系數為1.35，因此可以推斷邊坡處于不穩定的狀態，需要對邊坡進行加固。

圖2??初始狀態邊坡塑性區云圖

圖3??初始狀態邊坡水平位移云圖

4?加固方案分析

對于常用的邊坡加固方案，一般有擋墻加固、抗滑樁加固、預應力錨索加固，文章將在此基礎上論述3種加固方法，并進行比較分析。

4.1?重力式擋土墻支護

重力式擋土墻是通過擋土墻自身重力來承受土壓力作用，以保證邊坡的穩定性。此次模擬選取C30混凝土整體澆灌而成，擋墻高3?m，頂寬1?m，底寬3?m，埋深1.5?m，模型參數見表1。

經過計算，如圖4所示最大塑性變形已經由0.267降低為0.252，塑性變形區減小但滑動面依然較為明顯，水平位移由45.54?cm降為42.26?cm，穩定性系數為1.32，整體穩定性有所提高，但仍不滿足一級邊坡所需的穩定性系數。

4.2?抗滑樁支護

抗滑樁是利用樁體插入滑動面以下的穩定地層對樁的抗力從而平衡滑動體的推力，以此保證邊坡的穩定性。本次模擬選取單排抗滑樁，樁寬0.6?m，樁長10.6?m，埋深為10?m，樁體采用線彈性模型，模型材料見表1。

經過計算，如圖6所示，相比于邊坡初始狀態和重力擋土墻支護，邊坡的塑性區面積明顯減少，此時的邊坡最大塑性變形為0.048。如圖7所示最大水平位移出現在抗滑樁頂部，為14.24?cm，樁身發生彎曲變形，抗滑樁在滑動面推力作用下表現為彈性變形，這說明抗滑樁發揮了其抗彎作用阻止土體下滑。穩定性系數經過計算為1.48，符合一級邊坡所需穩定性系數。

4.3?預應力錨索支護

邊坡采用預應力錨索框架梁進行加固，錨索規格為3sφ15.2，錨索材料為高強度、低松弛預應力鋼絞線，標準強度1?860?MPa。錨索孔設計孔徑為150?mm，錨索孔深15～20?m，其中錨固段長10～15?m，錨孔下傾角為25°，鎖定張拉力均為150?kN。框架梁體混凝土強度等級C25，橫梁與縱梁截面尺寸高為300?mm，寬300?mm，橫梁與縱梁交叉處框架設預應力錨索。采用降溫法模擬預應力[10]，膨脹系數為0.000?577。

經過計算，塑性區云圖已無滑動面，如圖8所示，邊坡的最大塑性應變位于坡腳處，應變值為?0.008，穩定性系數為1.81。水平位移云圖如圖9所示，邊坡最大水平位移位于坡頂，為3.177?cm。與重力式擋土墻和抗滑樁支護方案相比，水平位移和塑性變形明顯減小，未出現明顯的滑動面，且安全系數明顯提高。

現將初始邊坡狀態和3種支護方案的穩定性系數和最大水平位移繪制成圖，如圖10所示，可明顯看出初始邊坡狀態、重力式擋土墻支護，抗滑樁支護和預應力錨索支護的最大水平位移逐漸減小，穩定性系數逐漸上升，且預應力錨索支護的穩定性系數最高，為這3種加固方案的最佳選擇。

5?結論

文章通過建立二維數值模型，利用ABAQUS軟件通過強度折減法對初始邊坡狀態、重力式擋土墻支護和抗滑樁支護，預應力錨索支護進行穩定性分析計算，通過對模擬計算的結果分析可取得以下結論。

（1）初始邊坡的具有明顯的滑動面，塑性區面積較大，最大塑性變形為0.267，位于坡腳素填土與黃土交界處。重力式擋土墻支護，抗滑樁支護的滑動面雖然減小，但仍然存在，預應力錨索支護的邊坡沒有明顯滑動面，塑性變形區大大減小。

（2）初始邊坡狀態的最大水平位移為45.54?cm，穩定性系數為1.3，在嘗試3種支護方案后，預應力錨索支護下的邊坡最大水平位移減少為3.18?cm，穩定性系數增加為1.81。因此，預應力錨索支護為最佳加固方案。

參考文獻[1] 鄢好.基于橢球模型的土坡穩定性非概率可靠度分析[D].成都：成都理工大學，2020