強震山區(qū)邊坡支護結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究

丁仁斐

（江西省水投建設(shè)集團有限公司，江西 南昌 330000）

1 前言

文中以山區(qū)某水庫邊坡為研究對象，采用Flac3d有限差分軟件，分析不同支護結(jié)構(gòu)參數(shù)對地震荷載作用下的邊坡及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

2 邊坡工程概況

2.1 邊坡工程概況

該邊坡位于山區(qū)，具有“丘槽相間、丘圓槽緩”的地貌特征。地形起伏不大，地面高程450～502 m，相對高差15～50 m，自然橫坡10°～45°，斜坡地帶基巖部分裸露，覆土較薄，坡面上灌木叢生；溝槽覆土相對較厚。沿線民房分布，有道路相通，交通條件好。

邊坡高35.38 m，坡頂寬11.73 m，底部寬42.12 m，邊坡按設(shè)計開挖有高7 m的直立一級邊坡，以及坡率為1∶1的二、三級邊坡。邊坡自上而下分布有4.50～5 m 厚的強風(fēng)化泥巖和9.50～10 m厚的弱風(fēng)化砂巖以及位于底部的砂巖層。

2.2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

文中研究中，一級邊坡采用截面尺寸1 m×1.20 m，長15 m的抗滑樁進行支護，樁身采用C30 鋼筋混凝土灌筑，γ=26 kN/m3，K=17.2 GPa，G=12.9 GPa。二、三級采用錨桿支護，垂直于墻面施作，橫向間距1.1 m，錨桿縱向間距1.2 m，錨桿鉆孔直徑φ90 mm，施工傾角為4°，錨桿彈性模量3×106MPa，泊松比0.21。

2.3 地震波設(shè)計

研究采用Flac3d中的動力計算模式，將地震波輸入到邊坡模型，模擬邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性變化及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)地震局提供的附近區(qū)域近年所記錄的地震波數(shù)據(jù)，基于濾波梳理技術(shù)，設(shè)置峰值加速度小于0.40 g，地震時間為12 s，時步0.04 s。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立與選擇

將cad線文件導(dǎo)入犀牛軟件進行實體建模，并采用六面體單元生成網(wǎng)格模型，最終將犀牛模型文件導(dǎo)入Flac3d軟件生成計算模型。假設(shè)巖土體為均勻、各向同性連續(xù)性介質(zhì)，有限元模型中，風(fēng)化土、風(fēng)化泥巖、砂巖均選用摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，抗滑樁選用線彈性本構(gòu)關(guān)系，滑面服從摩爾庫倫屈服準則。

根據(jù)野外調(diào)查以及邊坡設(shè)計圖紙，確定邊坡的幾何特征，利用Ansys 軟件根據(jù)cad 線文件進行實體建模，并采用四面體單元格進行網(wǎng)格劃分，再將模型文件導(dǎo)入Flac3d 軟件進行模擬。模型底面約束z 方向位移，側(cè)面采用法向約束，模型總計234 571個計算單元，185 474個網(wǎng)格節(jié)點。

此次數(shù)值模擬分以下幾個步驟進行：①導(dǎo)入邊坡模型并進行自重計算。②邊坡位移場速度場清零，并對邊坡分三級進行開挖，分析邊坡穩(wěn)定性。③設(shè)置如前文所述的支護措施，并計算邊坡位移及支護結(jié)構(gòu)受力特征。④導(dǎo)入地震波，計算并分析地震作用下的邊坡穩(wěn)定性及相關(guān)表征參數(shù)。

3.2 地震荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

如圖1-a所示，邊坡地震前最大水平位移僅為1.50 mm，邊坡水平位移得到有效約束，可以認為邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1-b 所示，當(dāng)邊坡經(jīng)過地震荷載作用后，最大水平位移位于邊坡頂部，數(shù)值達到72 mm，已經(jīng)超過邊坡安全位移范圍20 mm，且邊坡出現(xiàn)如圖中紅色虛線所示的滑動面，故可以說明此時邊坡將發(fā)生滑動，邊坡在地震荷載作用下邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑樁及錨桿支護已失效，需要采取更加合理的措施以加固邊坡。

圖1 邊坡地震前后水平位移云圖

圖2為地震前后錨桿應(yīng)力云圖。由圖可知，錨桿應(yīng)力呈現(xiàn)沿豎直向下方向逐漸增加的變化趨勢，震前最大錨桿應(yīng)力位于二級邊坡坡頂處，數(shù)值約為1.22×107Pa。地震后錨桿應(yīng)力呈現(xiàn)中間大兩端小的規(guī)律，原因可能是因為墻后土體推力作用，導(dǎo)致錨桿中間應(yīng)力集中。綜合錨桿應(yīng)力數(shù)值來看，應(yīng)力大于錨桿極限承載力1×108Pa，可認為錨桿在地震工況下支護效果較差，實際工程中應(yīng)采取更高強度的錨桿。

圖2 地震前后錨桿應(yīng)力云圖

邊坡在經(jīng)歷時間約為12 s 的地震荷載作用下采用強度折減法計算得到的穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線。不難看出，在施加地震荷載作用的前4 s 內(nèi)，邊坡安全系數(shù)下降最快，從1.90 下降至1.23，在第四秒后，邊坡安全系數(shù)下降速率減小，到達第12 s時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)已降低至1.03，小于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中要求的1.05。

3.3 地震作用下的錨桿參數(shù)影響研究

通過研究可以得出結(jié)論，一般的組合支護結(jié)構(gòu)已無法約束邊坡水平位移，尤其在強震山區(qū)，邊坡宜采用強度更高，尺寸設(shè)計更加合理的支護結(jié)構(gòu)。文中設(shè)計了不同錨桿長度對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律的模擬方案，當(dāng)錨桿長度為4m時，邊坡安全系數(shù)僅為1.03，當(dāng)錨桿長度從4 m 增加至10 m 時，邊坡安全系數(shù)增加至1.41，此時邊坡已處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)再次增加錨桿長度時，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)緩慢增加，16 m的錨桿支護下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達到最高值1.45。

如表1所示，邊坡安全系數(shù)整體呈現(xiàn)隨錨桿數(shù)量增加先快速增加后逐漸收斂的規(guī)律，當(dāng)邊坡無錨桿支撐時，邊坡安全系數(shù)為1.04，當(dāng)施加第一根錨桿時，邊坡安全系數(shù)得到有效提高，數(shù)值達到1.22，增加了11.5%，當(dāng)錨桿數(shù)量增加至5根時，邊坡安全系數(shù)達到1.46，此后再增加錨桿數(shù)量，邊坡安全系數(shù)基本收斂。

表1 錨桿數(shù)量與邊坡安全系數(shù)對應(yīng)關(guān)系表

綜上所述，地震作用下的邊坡安全系數(shù)受錨桿結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)（錨桿長度、錨桿數(shù)量）影響較大，在綜合考慮施工成本以及邊坡穩(wěn)定的條件下，實際強震山區(qū)邊坡宜采用長度為10 m，數(shù)量為5根的錨桿進行邊坡加固。

3.4 地震作用下的抗滑樁參數(shù)對邊坡穩(wěn)定因影響分析

通過研究可以得出，在強震山區(qū)，邊坡宜采用強度更高，尺寸設(shè)計更加合理的錨桿結(jié)構(gòu)，然而在強震山區(qū)邊坡宜采用何種抗滑樁依舊是邊坡治理的核心問題。基于此，設(shè)計了不同抗滑樁尺寸對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律的模擬方案。

邊坡在抗滑樁尺寸為0.50 m×1 m的支護作用下，邊坡安全系數(shù)為1.04，邊坡最大位移為33 mm，最大有效塑形應(yīng)變達2.01，此時邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。將抗滑樁尺寸提升至1 m×1.50 m時，邊坡安全系數(shù)提高至1.21，增加了16.3%，最大總位移減小18 mm，降低了45%，此時邊坡已處于穩(wěn)定狀態(tài)，仍需進一步采取大截面抗滑樁。當(dāng)采用2 m×2.50 m尺寸的抗滑樁進行支護時，邊坡安全系數(shù)為1.32，邊坡最大位移為降低至10 mm，最大有效塑形應(yīng)變?yōu)?.55，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

以某水庫邊坡為研究對象，采用有限元分析方法，從邊坡位移以及支護結(jié)構(gòu)的受力、位移等角度，分析地震荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響。得到以下結(jié)論：

第一，邊坡地震前最大水平位移為1.50 mm，邊坡較穩(wěn)定，經(jīng)過地震荷載作用后，最大水平位移位于邊坡頂部，數(shù)值達到72 mm，邊坡將發(fā)生滑動，需要采取合理的加固措施。

第二，地震作用下的邊坡安全系數(shù)受錨桿結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)（錨桿長度、錨桿數(shù)量）影響較大。邊坡安全系數(shù)整體呈現(xiàn)隨錨桿數(shù)量增加先快速增加后逐漸收斂的規(guī)律。

第三，當(dāng)采用2 m×2.50 m尺寸的抗滑樁進行支護時，邊坡安全系數(shù)為1.32，最大位移降低至10 mm，最大有效塑形應(yīng)變?yōu)?.55，地震工況下的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。