高邊坡施工順序對支護結構穩定性影響研究

摘 要：本文旨在探討高邊坡施工順序對支護結構穩定性的影響。本文基于現有巖土體本構模型，結合數值計算方法，模擬了不同施工順序下高邊坡支護結構的應力應變響應及位移變化。通過對比分析，揭示了施工順序對支護結構穩定性及邊坡整體安全性的重要影響。研究結果表明，合理的施工順序能夠顯著減少支護結構位移，提高邊坡穩定性，對實際工程具有重要指導意義。

關鍵詞：高邊坡；支護結構穩定性；數值模擬

中圖分類號：U 41" 文獻標志碼：A

在現代土木工程領域，高邊坡的穩定性問題一直是研究的熱點和難點之一。高邊坡的施工過程涉及復雜的巖土體材料力學行為，其穩定性不僅受到巖土體自身物理力學性質的影響，還受到施工順序、施工方法、環境條件等多種因素制約[1]。隨著城市化進程的加快和基礎設施建設的不斷推進，高邊坡工程日益增加，其穩定性問題直接影響工程安全、人們的生命財產安全及生態環境保護。

本文基于現有巖土體本構模型，結合數值計算方法，對高邊坡施工順序對支護結構穩定性的影響進行了深入研究，模擬不同施工順序下的應力應變響應及位移變化，旨在為實際工程提供科學依據和決策支持，同時也為進一步完善巖土體本構模型和數值模擬方法提供參考。

1 工程案例

以某黃土丘陵地區邊坡工程為例，本工程位于黃河北岸高階地，地貌以黃土丘陵為主，地勢由北向南傾斜，最高點海拔為1821m，最低點海拔為1536m，相對高差顯著。邊坡總長度為789m，高度自北向南遞增，南端最高處達到35.67m。由于建設需求，邊坡緊鄰居住區，施工紅線緊貼原始坡底線，因此設計了三級支護結構：一級為錨拉式樁板墻，高度為12m；二級和三級均為框架預應力錨索支護，高度分別為12m和11.67m。

施工初期先對第一級錨拉式樁板墻進行施工。將樁間距設定為6m，樁身及肋柱上安裝預應力錨索，頂部設置700mm×1700mm冠梁，提高整體穩定性。在第一級支護結構穩定后，隨即進行第二級框架預應力錨索支護施工?？蚣芰翰捎娩摻罨炷两Y構，根據計算，截面尺寸為400mm×600mm。在邊坡修坡過程中，采用機械與人工相結合的方式，保證坡面平整度和坡度符合設計要求。同時，加強邊坡防護措施，例如設置排水溝、植草護坡等，以減少雨水沖刷對邊坡穩定性的影響。第三級支護結構同樣采用框架預應力錨索支護，采用預應力錨托板支護作為替代方案，保證支護結構的連續性和穩定性。在施工過程中，加強對邊坡整體穩定性進行監測，利用布設監測點、定期觀測數據等手段，及時發現并處理了支護結構位移、應力變化等異常情況，保障邊坡工程的安全性。

2 模型建立與施工順序工況

2.1 模型構建與參數設定

本研究的高邊坡工程的支護體系核心為混凝土構筑物，穿越的土層依次為馬蘭黃土、卵石層及紅砂巖層。采用庫侖-摩爾破壞準則來模擬巖土體材料行為。支護體系主要包括混凝土材料構建的預應力錨索系統、錨拉式樁板墻、肋柱及框架結構。預應力錨索采用FLAC 3D內置的結構單元Cable精確替代，通過試驗測試及參考相關行業規范綜合確定其參數[2]。而樁板墻、肋柱及框架結構。鑒于其主要在彈性范圍內工作，僅在極端工況下偶現非彈性行為，因此統一采用各向同性彈性模型進行數值模擬，精準捕捉其力學響應。

本研究聚焦于邊坡工程中的一段代表性區段，該區段坡寬約12m，為保證分析的全面性與代表性，選取最高坡段（約為35.67m，模擬中簡化為36m）進行研究。當構建模型時，兩側邊界僅考慮應力傳遞，忽略其應變變化，將底部及前后邊界均設定為固定約束，無應變發生。將一級支護體系設計為樁板墻結合肋柱結構，樁體深入巖層5m，提高穩定性。

2.2 施工順序工況分析

本研究選取3種具有代表性的施工方法（順序），分別模擬其施工過程，并分析其對邊坡位移及支護結構穩定性的影響。

工況一施工方法（逐層填筑與支護同步進行）：此方法遵循“逐層填筑、逐層支護”的原則，即每完成一層土體填筑，立即進行該層對應的框架預應力錨索施工。這種施工順序能夠最大限度地縮短邊坡在填筑過程中的無支護暴露時間，有利于控制邊坡位移，保障施工安全。

工況二施工方法（多層填筑后統一支護）：此方法采用“多層填筑、統一支護”的方法，即先連續填筑多層土體，待達到一定高度后，再統一對這些土層的框架預應力錨索進行施工。此方法雖然能提高施工效率，但可能導致邊坡在較長時間內處于無有效支護狀態，增加邊坡失穩風險。

工況三施工方法（先填筑后集中支護）：此方法類似方法二，但更為極端，即先完成所有土層填筑，待邊坡整體形成后再進行所有框架預應力錨索施工。這種方法雖然施工簡單，但邊坡在長時間內缺乏有效支護，會對邊坡穩定性構成較大挑戰。

3 不同施工順序下支護結構穩定性分析

3.1 支護樁水平位移分析

圖1為澆筑高度24m時的樁板墻水平位移。當填土與支護作業推進至24m深度時，樁板墻的位移監控數據說明：在相同的支護設計下，采用施工方法一構建的下層樁板墻，與施工方法二相比，其水平位移的累積量顯著減少；而與施工方法三相比，施工方法二構建下層樁板墻時所產生的水平位移累積又有所減少[3]。進一步從邊坡安全性的視角審視，施工方法一達到該高度時，邊坡穩定性系數高達1.85，明顯高于施工方法二的1.81及施工方法三的1.70。這個結果說明，施工方法一在保障邊坡安全方面展現出更為優越的性能，而施工方法二與方法三則相對較弱。

圖2為澆筑高度30m時樁身水平位移。施工與支護作業深入至30m高度時，施工方法一在初期對邊坡施加的荷載更大，且支擋結構的位移與其背后土壓力及邊坡土體的固結穩定時長緊密相關，因此施工方法一需要更長的土體固結時間，其一級支護結構中的樁板墻在水平方向上的位移量相對較大。施工方法一在此高度下的穩定性系數為1.70，略高于施工方法二的1.67，說明施工方法一在提高邊坡安全方面具有優勢。

3.2 邊坡整體位移分析

以施工方法一為例，圖3為邊坡土體和支護結構在不同澆筑高度情況下的水平位移云圖。由圖3可知，在邊坡土壤逐層填筑與支護結構同步構建的過程中，邊坡主體及其支撐系統的水平位移呈現出遞增趨勢[4]。當填筑與支護高度分別達到18m和24m時，一級支護體系中的樁板墻或冠梁區域成為水平位移的顯著集中點。在達到24m高度前，原邊坡坡頂幾乎未受影響，但后續施工則導致該區域水平位移持續加劇。

通過對比分析3種不同施工順序下的邊坡變形特性，可知邊坡填筑與支護高度遞增，都會增加邊坡土壤與支護結構的水平位移，但相同高度下，施工方法選擇會影響位移量。采用第一種施工方法完成的邊坡支護結構在相同施工階段的最大水平位移相對最小，而第三種施工方法會使水平位移最大，顯示出更強的變形趨勢。

從支護結構與后方土體的水平位移差異來看，第一種施工方法位移差最小，表明支護結構與土體之間的協同變形能力較強[5]。相反，第三種施工方法下的兩者位移差最顯著，說明支護結構與邊坡土體間的位移不協調性較高，削弱了支護結構對邊坡穩定性的效果。在協同工作能力方面，第一種施工方法下的邊坡支護結構表現最為優異，能夠更有效地協同工作，抵御變形。相比之下，第三種施工方法則顯著降低了支護結構的整體協同效能，對邊坡的長期穩定性構成潛在威脅。因此，當選擇施工方法時，須綜合考慮其對邊坡支護結構協同性及整體穩定性的影響[6]。

4 結論

本文對不同施工順序下高邊坡的填筑與支護過程進行深入研究，結合邊坡穩定性系數計算、支護樁水平位移分析及邊坡整體位移云圖，得出以下主要結論。1）施工順序選擇直接影響邊坡的最終穩定性。按照施工方法一（即本研究中認為的最優順序）進行作業，能夠顯著提升邊坡的穩定性系數，而施工方法三的穩定性相對較低，這對邊坡的長期安全構成潛在風險。因此，在實際工程中，應根據具體情況合理選擇施工順序，提高邊坡的穩定性。2）施工方法一在減少支護樁水平位移方面表現最優，而施工方法三則相對較差，且隨著邊坡填筑與支護高度遞增，邊坡主體及其支護結構的水平位移均呈現出遞增趨勢。在達到特定高度（例如24m和30m）時，邊坡的位移特性發生顯著變化。30m高度時，最大水平位移出現在邊坡中部的二級框架預應力錨索支護結構中下部。

參考文獻

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[3]裴正鶴. 某水庫高邊坡開挖施工中邊坡支護技術分析 [J]. 水上安全， 2024（9）： 133-135.

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[5]李俊澤. 巖土工程中大型高邊坡開挖的設計與施工要點 [J]. 城市建設理論研究（電子版）， 2024（12）： 130-132.

[6]李亞勝. 黃土地區多級填方高邊坡施工順序對支護結構位移及邊坡穩定性影響研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學， 2019.