基于Midas/GTS数值模拟分析的边坡防护设计

李大纪，文庆军

(广西桂商实业投资有限公司，广西　南宁　530001)



基于Midas/GTS数值模拟分析的边坡防护设计

李大纪，文庆军

(广西桂商实业投资有限公司，广西南宁530001)

在某高速公路路堑边坡开挖受限施工条件下，文章分别建立了受限情况下放坡开挖和加设挡土墙两个Midas/GTS二维数值模型来对比分析边坡的稳定性，为选定该路堑边坡防护设计方案提供了依据，为同类工程的设计和施工提供参考。

Midas/GTS；数值模拟；边坡稳定性；方案设计

0　引言

本文通过Midas/GTS数值模拟软件建立二维数值模型，分别对比分析了受限条件下边坡以1∶1坡比放坡开挖后使用防护与设置挡土墙措施，两个边坡防护设计方案在连续强降雨工况中的边坡稳定性及其发展趋势，最终根据分析结果选定了设置挡土墙措施的路堑边坡防护设计方案，实现了相关技术在工程实际中的应用。

1　工程概况

某高速公路为两地级市间的交通主干道，设计时速主线80 km/h、100 km/h，设计路基宽度主线24.58 m、26 m，路线全长约100 km，设计上有多处高边坡路段。本文所述高边坡路段长度约160 m，设计路段位于大型岩石老滑坡区，经详细勘察查明该滑坡已稳定，不影响本路段路线方案的确定。其中，涉及路堑高边坡路线中约

50 m长距离的右侧边坡附近有未迁移电力设施杆线，路基左侧红线外为耕地；路线设计边沟线与电力设施基础水平距离约12 m，电力设施基础原地面高于设计边沟顶面约8.5 m。

气候条件：工程位于西南地区高原山区，属亚热带季风湿润气候区。多年平均气温16.9 ℃，极端最高气温35.5 ℃，极端最低气温-5.5 ℃。年相对湿度80%，最大年降雨量1 973.9 mm，最小年降雨量1 062.0 mm，年均降雨量1 476.3 mm；其中4～10月降雨量占全年的88.1%，降雨分布不均。

地形地貌与地层岩性：本路段属山麓斜坡堆积地貌，受构造影响，灰岩石山岩壁陡峭近垂直，灰岩产状近水平，节理裂隙较发育，其下为斜坡堆积坡地；地形自南往北倾斜，斜坡自然坡度约15°～20°。山脚及山间盆(洼)地多为农业生产用地。

据地表调查和钻探揭示，地区地层由第四系覆盖层(Q)和泥盆系上统(D3)基岩组成。

(1)第四系覆盖层(Q)

①坡积层(Qdl)：黏土，黄、褐黄色，可塑状，土质不均匀，地表含植物根系。层厚0.80～7.80 m不等。②崩积层(Qc)：碎、块石，成分为强-中风化灰岩，粒径大小不一，中间充填黏土。层厚8.90～20.90 m。

(2)泥盆系上统(D3)基岩

①强风化炭质泥岩：黑色，岩石风化强烈，岩质极软，呈硬塑，岩芯呈土柱、碎块状。②中风化炭质泥岩：黑色，泥质结构，岩质软，遇水易软化，岩芯多呈碎块状，饼状及短柱状。

水文地质条件：地段内无地表水系，地表水主要为降水时形成的地表漫流。地下水主要以坡体覆盖层中孔隙水的形式存在，其主要补给来源为大气降水。

不良地质路段情况：据地质勘察反映，沿线存在的不良地质类型主要有饱和黏土、岩溶及滑坡等。

2　边坡防护设计稳定性分析及选定

施工后边坡安全与质量达到规范要求是边坡防护设计的最基本要求，而边坡稳定是保证边坡安全与质量的前提，故进行边坡稳定性分析是确定防护设计方案不可或缺的步骤，只有稳定性满足要求的边坡防护设计方案才能被应用于工程实际。除此以外，一般的边坡防护工程设计中，还必须考虑现场实际可采用的施工方法，如：一般高边坡路堑开挖多选择放坡开挖，放坡后再进行防护施工；条件限制时，可采用支挡结构物的方式尽量减小甚至避免被放坡的要求。

针对本研究对象，本文分别建立起1∶1坡比开挖和加设挡土墙措施等两个防护设计方案对应的Midas/GTS二维数值模型，对比分析了边坡稳定性及土体滑动状况，进而选定适用于本段路堑边坡的防护设计方案。

2.1数值模拟基本原理

Midas/GTS数值模采用莫尔-库伦强度准则理论，模拟土体饱水工况条件下分析边坡的稳定状态。在Midas/GTS数值模拟分析中，以收敛的非线性静力工况计算下的边坡各土体单元位移大小来衡量边坡各部位的稳定性是最为直观的定量描述，而采用强度折减法计算的边坡稳定安全系数是表征边坡稳定性的关键性指标。

数值模拟分析的基本步骤为：运行GTS软件→项目设定→建立几何模型和设置材料属性→网格划分→设置边界条件→定义分析工况→运行分析程序→查看分析结果。

结合岩土试验、现场钻探、工程经验及相关数据，确定本文数值模拟所需的边坡主要岩土力学参数，如表1所示。

表1　边坡各土层岩土力学参数表

2.2放坡开挖的边坡防护设计稳定性分析

本段边坡设计上属于挖方段，中线平均挖深10 m。理论上，坡度越缓，边坡的稳定性和安全性越强。结合现场地质勘查结果及施工经验，如本段边坡施工中按1∶1.5坡比分级放坡开挖，及时做好边坡坡面防护即可达到稳定边坡的目的；但水平距路基边沟约12 m、高出路基设计标高约8.0～9.0 m的上边坡位置有无法迁移的电力杆线设施，使得开挖坡比的最大允许值仅为1∶1。根据以上要求，设计如下方案：

(1)在受影响的50 m边坡中按1∶1坡比开挖、一级放坡，未受影响的其余边坡段按1∶1.5放坡施工。

(2)对开挖的坡面进行一般坡面浆砌片石骨架防护，并在骨架内培土和喷薄草籽绿化。

(3)边坡作业面与电力杆线基础距离按3～4 m预留；坡底碎落台按1 m宽。

(4)清除坡面上方有滑塌危险的土方；对电力设施基础进行浆砌片石加固。

根据边坡土层分布及坡面测量数据，获得的Midas/GTS二维数值模型如图1所示。按上述具体方案，对边坡进行数值模拟分析所获得的结果如图2～5所示。

图1　边坡1∶1坡比成型示意图

图2　1∶1坡比开挖后边坡潜在滑动面云图

图3　1∶1坡比开挖后边坡X方向(变形+未变形)云图

图4　1∶1坡比开挖后边坡Y方向(变形+未变形)云图

图5　1∶1坡比开挖后边坡XY方向(变形+未变形)云图

边坡在开挖后，其潜在滑动面处于边坡坡体内部，滑动面的底部位于碎块石层与炭质泥岩层的交界面，如图2所示的浅色图层区域。通过强度折减法计算得出的边坡安全系数约0.6，说明边坡在所模拟工况下整体处于不稳定状态。

图2～5的数值模拟结果均为非线性静力分析工况下，边坡土层在各方向上土体滑塌的发展趋势。其中，已开挖的边坡中部表土在X分向上的位移较大，属于边坡滑移造成，如图2所示的对应图色图层区域；已开挖边坡放坡顶部土体在在Y方向上的位移较大，属边坡沉降造成，如图3中对应图色图层区域。总体上，边坡在已开挖坡体中间土体表层形成了向路基中线“凸”出的形态，形成了明显的“鼓包”，预示着这一块土体在设定工况下将有较大变形、破坏，而坡面骨架防护也遭受相应的破坏。坡体底层的炭质泥岩层显示为对应图色图层区域，表明该部位土层相对稳定，无较大位移。上述数值模拟的非线性静力计算中，其计算结果为不收敛，表明数值模拟对于该模型位移的计算结果不够精确，故图形中显示的位移值不具备使用价值。

综上所述，采用该设计方案、连续强降雨条件下，边坡后继发展情况大致为：土体受水饱和后，边坡放坡开挖的坡面顶部发生沉陷，坡面中下部土体在重力作用下呈现滑塌，并且滑坡推力挤坏了边坡坡面的防护排水设施，已施工的路床也出现一定的拱起。

2.3加设挡墙的边坡防护设计稳定性分析

导致边坡不稳定的根本原因在于边坡滑坡推力较大，故防护支挡设计需重点解决如何使边坡重新达到力学平衡，由此边坡才能稳定。常用的支挡结构物有抗滑桩、桩板式挡墙及其他各类挡土墙等。抗滑桩与桩板式挡墙施工技术要求相对较高，工期较长。一般挡土墙施工简易，技术含量低；再则，本地区石料丰富，可考虑就地取材将片石料用于工程建设，再结合边坡周边施工条件及环境，在不放坡开挖的情况下，可实施的防护设计方案如下：

(1)涉及无法拆迁的电力杆线50 m范围内，在坡底设置有泄水孔的C15片石混凝土挡土墙(如图6所示)，不再放坡开挖；未受到电力杆线影响的挖方边坡地段按规范要求分级放坡开挖并及时做好防护。

图6　C15片石混凝土挡土墙横断面示意图

(2)清除坡顶有可能坍陷和滑移的黏土层，并对坡面、坡顶进行浆砌片石封闭；其他边坡段喷播草籽绿化。

(3)挡土墙预留花坛位置，以便于种植攀爬植物；采用合格填料分层回填墙背。

(4)在挡土墙施工范围内进行基底承载力现场检测，以确定是否需要换填。

根据上述方案，数值模拟分析结果如图7～11所示。

图7　加设挡土墙后边坡潜在滑动面云图

图8　加设挡土墙后边坡X方向位移云图

图9　加设挡土墙后边坡Y方向位移云图

图10　加设挡土墙后边坡XY方向位移条纹图

图11　加设挡土墙后边坡挡土墙墙背位移云图

加设挡土墙后，滑动面位置较未加设时已发生改变，滑动面显示位于表层黏土与碎块石层结合处、从边坡最高处至挡土墙顶形成半月形，如图7所示。边坡安全系数为1.43，表明边坡无整体性滑坡的风险，设置的挡土墙起到了稳定边坡整体的效果。

图8中图层呈对应图色区域显示，加设挡土墙后边坡内部处于碎块石层位置2.7%的土体有X方向约达到了4.25×10-4m的变形；约52.2%的土体在X方向上处于相对稳定状态，如图层为对应图色区域。图9中，处于截取边坡最高处的土体有少量沉降，达到了2.82×10-2m，而在平面中53.1%的土体在Y方向上处于相对稳定状态。图10中，在平面XY方向上位移最大的区域在模拟边坡的最高处，达到了2.82×10-2m，是由于边坡沉降造成的；在平面中，达到2.0×10-2m数值以上的边坡土体位移占所模拟边坡平面面积约2.2%，而52.3%的土体在XY方向上处于相对稳定状态，主要是底部的炭质泥岩土层和挡土墙区域，图层呈对应图色区域。

根据非线性静力分析工况下的计算结果，将挡土墙背面按长度划分为10等份，根据图11中提取的曲线可知，挡土墙墙背面上发生的最大位移在墙顶，数值1.84×10-4m；该最大位移数值小于挡墙高度的千分之一，可忽略不计，因此可获得的结论是：挡土墙处于稳定状态。

综上所述，推断采用该方案下边坡后期发展情况为：经过连续降雨、土体受水饱和，该边坡中下部位在重力作用下无明显改变，边坡坡顶部呈现极小量的沉降，但不影响到边坡中下部土体和边坡的整体稳定性。

2.4方案选定

通过对两个边坡防护设计方案的数值模拟得出的边坡稳定性分析结果对比，可以得出：

(1)从图2与图7滑动面的对比可知，两设计方案中坡体潜在滑动面在加设挡土墙前后发生了明显改变。放坡开挖的滑动面处于边坡坡脚附近，加设挡墙的滑动面处于位置表层黏土层与碎块石层的土层结合处，后者坡度较平缓，滑动面前沿受到了挡土墙的支挡作用。

(2)边坡以1∶1放坡开挖及防护设计方案安全系数为0.63，加设挡土墙支护方案的安全系数达到了1.43，符合规范要求。数值模拟分析结果表明加设挡土墙措施使得边坡的整体稳定性和安全性得到了更大的保障。

(3)放坡开挖造成的主要灾害是边坡中下部可能产生塌方，进而影响路基安全与质量；而加设挡土墙措施使得靠近路基边沟附近的边坡土体能趋于稳定，优于放坡开挖的设计方案。

(4)坡底加设挡土墙后，边坡坡顶沉降数值为2.82×10-2m，挡土墙顶位移数值为1.84×10-4m，说明坡底加设了挡土墙后对墙体周边土体稳固作用明显，而对远离坡底的上边坡坡顶土体维护作用则较小。

基于安全和质量考虑，选定加设挡土墙为主要措施的边坡防护设计方案较为合理。

3　结语

(1)边坡以1∶1放坡开挖及防护设计方案安全系数为0.63，而边坡加设挡土墙支护方案的安全系数达到了1.43，后者满足了《公路路基设计规范》对非正常工况Ⅰ(边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况)路堑边坡安全系数须不小于1.1～1.2的要求。从理论上表明，1∶1放坡开挖的设计方案不适用于该路堑边坡施工，而加设挡土墙措施的设计方案则适用于该路堑边坡施工。

(2)边坡在按1∶1坡比开挖方案中设置的拱形骨架护坡等结构物与其他地表排水设施原则上或多或少对坡面防护(支挡)、土体的稳固有一定作用，而Midas/GTS数值模拟无法精确将这些情况输入数值模型进行模拟，故数值模拟分析结果是偏于保守的。

(3)边坡设置挡土墙是否合理，其简单易行的验证方式是检算挡土墙的抗滑稳定性、抗颠覆稳定性、基底应力及合力偏心距、墙身截面是否满足现行规范要求。该方法仅仅通过定性判定挡土墙的稳定来判定边坡稳定，无法对施工后挡土墙的位移、沉降、及各部位受力情况定量描述，具有局限性；而数值模拟分析方式有效地解决了这些问题。

(4)挡土墙设计方案的数值模拟分析结果均表明边坡顶部存在少量沉降，鉴于安全风险，施工期间应加强监测，并应对坍陷部位进一步挖除或者加强封闭，防止地表水灌入，以免造成边坡土体内部不稳定。

(5)通过本文数值模拟可知，挡土墙措施对于短距离、坡度不高的边坡起到的稳固作用优于大型、长度较大、坡度较高的边坡。

[1]JTG D30-2015，公路路基设计规范[S].

[2]JTG F10-2006，公路路基施工技术规范[S].

Slope Protection Design Based on Midas/GTS Numerical Simulation Analysis

LI Da-ji，WEN Qing-jun

(Guangxi Guishang Industrial Investment Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530001)

Under the restricted construction conditions of cutting slope excavation in an expressway，this article respectively established two Midas/GTS two-dimensional numerical models of slope excavation and additional retaining wall under restricted conditions to compare and analyze the slope stability，which can provide the basis for the protection design program selection of this cutting slope，thereby providing the reference for the design and construction of similar projects.

Midas/GTS；Numerical simulation；Slope stability；Program design

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.001

1673-4874(2016)07-0001-05

2016-05-25

李大纪(1983—)，硕士，研究方向：道路与桥梁技术研究和施工管理；

文庆军(1979—)，高级工程师，主要从事公路桥梁施工管理工作。