基于FLAC3D的西南地區順層巖質邊坡支護效果研究

楊緯卿，程蕓，張雄云，段志超

（1．云南建投第一勘察設計有限公司，云南 昆明 650032；2．云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021）

0 引言

為了助力成渝雙城經濟圈的快速發展，成渝地區將建設成為軌道上的雙城經濟圈，未來幾年將新建多條鐵路線路，建設由高速鐵路、城際鐵路等線路組成的多層次軌道交通網絡體系。但成渝地區地形起伏大，多山地丘陵，在成渝地區修建交通設施不可避免要穿過山地，也不可避免地要進行大量深路塹邊坡的開挖。成渝地區分布有大量的順層巖質邊坡，成渝地區的山體構造因其獨特的歷史成因及環境氣候，使得山體構造十分復雜，容易發生邊坡垮塌或危巖落石的病害，嚴重影響行車安全。故在對成渝地區的順層巖質邊坡進行支護時，須對支護的效果進行研究，以期后續在成渝地區進行邊坡支護時能夠提供參考[1-3]。

目前，對于巖質邊坡支護方式主要有抗滑樁[4]、錨桿框架梁[5]、錨索框架梁及排樁等[6-7]，對支護效果的評價主要采用位移控制[8]、應力控制[9]，即要求順層巖質邊坡在支護后不能產生過大位移，也不能使支擋結構產生破壞。當然在保證行車安全的基礎上，還會從工程造價的角度進行支護方式的優化，以期減少材料使用并減少工程投資。

傳統的支護方式僅是采用單一的支護方式，很難發揮不同支護方式的優點，單一支護方式的缺點被放大，為了使邊坡支護能夠更加科學、更加合理，復合支護結構因其能夠發揮不同支護方式的優點而受到了越來越多的關注。為了探究復合支護方式對順層巖質邊坡支護效果的研究，本文以成渝地區某工點順層巖質邊坡為研究對象，采用FLAC3D 進行建模，研究錨桿框架梁及抗滑樁復合支護方式對順層巖質邊坡支護效果的研究，并在次基礎上對支護結構進行優化設計，以明確錨桿框架梁及抗滑樁復合支護方式對成渝地區順層巖質邊坡支護效果的影響，并對支護結構進行優化設計。

1 工程概況

所研究邊坡位于某計劃修建高速公路的南側，從現在地面標高算起到設計標高，地面最大高差達到126m，由于采用開挖的方式進行施工，開挖后邊坡自穩性較差。

邊坡從表層至底層，地層巖性分別為：雜填土，厚度1～3m，結構松散破碎；粉土，主要為黃色或者灰色粘土，遇水后呈可塑或者軟塑狀；紅層砂巖，主要呈粉紅色，節理裂隙發育，局部呈現碎散狀；紅層頁巖，紅色，節理面光滑，含有大量的有機質，常與砂巖出現互層現象；紅層泥巖，磚紅色，有機質含量高，其中夾雜有少量碳質砂巖及煤巖碎塊。

2 模型建立

以地勘得到的巖層變化為依據，采用FLAC3D 建立邊坡模型，如圖1 所示，巖體參數取值如表1 所示。模型建立結束后，在自重作用下應力平衡，保留平衡后的應力狀態進行后續計算研究。

圖1 研究截面

表1 巖體力學參數取值

采用巴西劈裂試驗及直剪試驗對巖體的力學參數進行測量，模型參數根據上述試驗進行取值。

通過室內試驗研究確定地層巖性的力學參數，不同地層的力學參數如表1所示。

圖2 邊坡支護方案

錨桿設計參數及抗滑樁設計參數以設計資料為依據，錨桿設計參數取值如表2 所示，抗滑樁設計參數如表3所示。

表2 錨桿計算參數取值

表3 抗滑樁計算取值

3 邊坡支護效果研究

3.1 樁身長度對支護效果的影響

為了研究樁身長度對水平位移的影響規律，在保持樁身截面尺寸的情況下，通過改變抗滑樁長度進行研究，樁身長度原設計為25m，對樁身長度進行縮減后研究其水平位移的變化規律。如圖3所示，不同樁長的抗滑樁，其樁身水平位移隨著樁身長度的變化并沒有出現太大差異，在嵌固段范圍內，樁身既有擠壓邊坡的位移，也有背離邊坡的位移，且隨著樁長增加，水平位移快速的由擠壓邊坡轉為背離邊坡。在出現斷裂帶的位置，水平位移出現突變，出現突變的原因可能是由于斷裂帶巖體破碎，對抗滑樁的擠壓作用減弱。故抗滑樁的水平位移會在巖層斷裂帶的位置出現突變，當抗滑樁的長度超過邊坡時，由于沒有了邊坡地擠壓，抗滑樁的水平位移會先快速下降，而后保持不變。

圖3 樁身水平位移隨著樁身長度變化圖

如圖4 所示，抗滑樁穩定系數隨著樁身長度的增加逐漸增加，存在一個臨界樁身長度，當抗滑樁身長度小于臨界長度時，抗滑樁穩定系數隨著樁身長度的減小快速減小，當樁身長度大于臨界樁身長度時，抗滑樁穩定系數隨著樁身長度的增加緩慢增加。由此可知，當樁身長度大于臨界樁身長度時，此時再增加樁身長度，并不能顯著提高支護效果，反而會增加工程量，增加工程建設的成本。

圖4 穩定系數隨樁身長度變化

在第二級支護中，抗滑原設計為20m，為了研究抗滑樁身長度對水平位移的影響規律，對樁身長度縮減后進行研究。如圖2 所示，當錨桿框架支護和抗滑樁支護離得較近時，抗滑樁的樁身位移全部為正，及邊坡對抗滑樁全部產生擠壓，隨著樁身長度的增加，樁身位移隨樁身長度的增加先增加后減小。樁身水平位移增加是由于邊坡對抗滑樁有擠壓作用，樁身水平位移隨著樁身長度的增加逐漸減小是因為錨桿框架梁對邊坡進行錨拉后，邊坡的變形逐漸由錨桿框架支護結構進行承擔，導致邊坡對抗滑樁的擠壓作用逐漸減弱，故抗滑樁水平位移隨著樁身長度的增加逐漸減小。且由圖5還可知，當樁身長度小于18m時，樁身水平位移出現了明顯增大，當樁身長度不小于18m 時，樁身水平位移基本保持不變。

圖5 第二級支護抗滑樁水平位移隨著樁身長度變化圖

由圖6 可知，隨著樁身長度的增加，穩定系也逐漸增加，同樣出現臨界長度，在樁身長度小于臨界長度時，穩定系數隨著樁身長度的減小迅速減小，當樁身長度大于臨界長度時，穩定系數隨樁身長度增加緩慢。

圖6 第二級支護穩定系數隨樁身長度變化圖

綜合圖5和圖6可知，當樁長小于臨界長度時，抗滑樁的水平位移顯著增大，穩定系數顯著減小；當樁長大于臨界長度時，抗滑樁的水平位移基本保持不變，穩定系數也增長緩慢，故可以選取臨界長度作為抗滑樁的長度。

3.2 錨固角度對邊坡的影響

為了探究錨固角度對順層巖質邊坡的影響，在保持錨固長度不變的情況下通過改變錨固角度進行研究。由圖7 可知，隨著錨固角度的增大，邊坡的最大水平位移在逐漸減小，這主要是由于錨桿嵌入角度越大，對邊坡的拖拽作用越強，對邊坡的支護作用就越明顯，故穩定系數隨著錨固角度的增加逐漸減小。

圖7 邊坡最大水平位移隨錨固角度變化圖

由圖8 可知，同樣存在一個臨界錨固長度，故在采用錨桿框架梁對順層巖質邊坡進行支護時，可以選取臨界錨固長度進行支護設計。

圖8 最大水平位移隨著錨固長度變化圖

4 結論

本文通過FLAC3D 對順層巖質邊坡進行建模，對采用錨桿框架梁及抗滑樁復合支護的順層巖質邊坡進行了研究，分析了樁身長度、錨固角度及錨固長度對邊坡位移及穩定性的影響，主要得到了以下結論：

①當樁長小于臨界長度時，抗滑樁的水平位移顯著增大，穩定系數顯著減小，當樁長大于臨界長度時，抗滑樁的水平位移基本保持不變，穩定系數也增長緩慢，故采用抗滑樁對順層巖質邊坡進行支護時，可以選取臨界長度作為抗滑樁的長度；

②當錨桿框架支護和抗滑樁支護離得較近時，由于錨桿框架梁對邊坡進行錨拉后，邊坡的變形逐漸由錨桿框架支護結構進行承擔，導致邊坡對抗滑樁的擠壓作用逐漸減弱，故抗滑樁末端樁身水平位移隨著樁身長度的增加逐漸減小；

③當錨桿框架梁的錨固角度小于臨界錨固角度時，邊坡位移隨著錨固角度減小迅速減小，當錨桿框架梁的錨固角度大于臨界錨固角度時，邊坡位移減小并不顯著。