尾矿堆坝加固工程的稳定性分析

余 浩

（广东省地质局第三地质大队，广东 韶关 512026）

土工合成材料是指工程建设中应用的与土、岩石或其他材料接触的聚合物材料的总称，被誉为与钢材、水泥、木材齐名的“第四种工程材料”，广泛应用于岩土、水利及土木工程等领域中[1]，包括土工织物、土工膜、土工格栅、土工带、土工格室、土工网等。土工格栅作为一种主要的土工合成材料，为采用抗拉条带单元结合形成的有规则网格型式的加筋土工合成材料，其开孔可容填筑料嵌入[2]，能有效的提高加筋承载面的嵌锁、咬合作用、极大程度的增强地基的承载力、有效的约束土体的侧向位移，增强土体稳固性能。永川区中山路储备地块道路及配套管网工程E 路K0+480～K0+600段左侧路基采用加筋土支护边坡，坡率为1:0.25，最大高度7m，筋材采用整体钢塑土工格栅，铺设宽度7m，竖向间距0.4m[3]；渝鄂直流背靠背联网工程北通道换流站四通一平工程，回填边坡主要采用土工格栅分级放坡处理，最大坡高27m，坡率为1:1.00～1:075[4]。本文以某工程的土工格栅加筋土坡为工程案例，采用GEO5 土质边坡稳定分析模块及岩土工程有限元分析模块对土坡在加筋前及不同筋材间距的边坡稳定性进行了对比分析。

1 工程概况

该工程为一历史博物馆，使用年限为100 年，选址位于一山顶上。其北侧观景平台完成面标高与建筑周边红线地形最低处标高之间的高差为22.79m，须进行边坡支护设计。

根据勘察报告，拟建边坡处所揭露地层为第四系坡残积层，以含碎石粉质黏土主，底部为石炭系强风化泥质粉砂岩及灰岩。场地岩土层力学参数见表1。

从场地地形、施工条件、工程总体造价及施工进度等多方面综合分析并进行方案比选后，最终决定采用底部采用混凝土重力式挡土墙，上部采用加筋土坡的支护方式。最不利处，底部挡土墙顶宽为1.4m，基础埋深2.62m，出露高度6m，以含碎石粉质黏土作为持力层。为减小挡墙后方主动土压力，墙顶后方设置3m 宽的平台。上部加筋土坡高16.79m，分两级，在8.5m 高处设置一宽2m 的平台，坡率均为1:1.00，筋材满铺。坡底模拟施工对山坡进行台阶式切坡处理，边坡工程安全等级为一级。剖面模型如图1 所示。

图1 边坡剖面模型（筋材间距0.3m）

2 对比分析结果

土坡填土采用就近山体开挖土方，根据当地经验，经分层压实后，重度为19kN/m3，黏聚力取为5kPa，内摩擦角取为25°。筋材采用HDPE 双向拉伸塑料土工格栅，考虑长期蠕变、老化折减，抗拉强度取为44kN/m。挡土墙定义为刚性材料，观景平台的荷载取为10kN/m2。本次采用GEO5土质边坡稳定分析模块及岩土工程有限元分析模块，分别按无筋材，筋材间距为0.6m、0.5m、0.4m、0.3m 五种模型进行边坡的整体稳定性对比分析。

（1）GEO5 土质边坡稳定分析模块分析结果。本次分析采用毕肖普法及摩根斯顿—普赖斯法，具体分析结果分别见表2 及表3。

表2 边坡安全系数与筋材间距关系对照表（毕肖普法）

表3 边坡安全系数与筋材间距关系对照表（摩根斯顿—普赖斯法）

根据分析结果，两种方法计算所得潜在滑动面位置相近。当边坡不设置筋材时，安全系数最低，潜在滑动面位于挡土墙以上、填土内部，两种算法所得的安全系数相差不大；设置筋材后，潜在滑动面越过挡土墙底部，安全系数较不设筋材时有了较大提高，如图2、图3 所示。边坡的整体安全系数随筋材间距缩小而逐渐增大，并且，采用摩根斯顿—普赖斯法计算所得的安全系数比毕肖普法的要大，大约5%～7%。这是由于毕肖普法假定条块间只有水平作用力而不存在切向力，不能满足条块的力矩平衡条件；而摩根斯顿—普赖斯法，各条块需要同时满足作用力和作用力矩的平衡条件。

图2 坡体潜在滑动面（无筋材）

图3 坡体潜在滑动面（筋材间距0.3m）

（2）GEO5 岩土工程有限元分析模块分析结果。本次分析对岩土体材料选用修正摩尔—库伦弹塑性模型，其余参数取值与土质边坡稳定分析模块中的一致。底部的边界条件采用固定边界，左右两侧边界采用水平向固定，竖向自由的类似滑动支座的约束边界。具体分析结果见表4。

表4 边坡安全系数与筋材间距关系对照表（有限元法）

根据有限元分析结果，当边坡不设置筋材时，安全系数最低，塑性应变区位于挡土墙以上；设置筋材后，受筋材的约束，安全系数较不设筋材时有了较大提高，塑性应变区主要位于挡土墙底部附近原状土区域，如图4、图5 所示。边坡的整体安全系数随筋材间距缩小也逐渐增大。

图4 坡体塑性发展区（无筋材）

图5 坡体塑性发展区（筋材间距0.3m）

由图4、图5 可见，有限元方法显示的是塑性发展变形情况，塑性应变区近似成带状。对比土质边坡稳定分析模块的分析结果，三种方法计算出的滑动面位置及形状大致相同，近似为圆弧形。但总体上，有限元计算得出的安全系数要大于肖普法及摩根斯顿—普赖斯法的计算结果。分析原因，可能是肖普法及摩根斯顿—普赖斯法的基本思路，是把滑动土体分割成有限宽度的土条，并把土条当成刚体，根据静力平衡条件和极限平衡条件求得滑动面上力的分布，从而计算出稳定系数。但实际上土体是变形体而不是刚体，用分析刚体的办法，不满足变形协调条件。而有限元就是把土坡当成变形体，按照土的变形特性，计算土坡内的应力分布，最后按设定的材料本构模型计算土体的塑性变形及安全系数。

最终，在综合考虑其他因素后，本工程筋材的竖向间距取为0.3m。

3 结论

通过采用肖普法、摩根斯顿—普赖斯法及有限元法对同一工程进行计算分析，结果表明：土坡在设置筋材后，安全系数较不设筋材时提高较多。边坡的整体安全系数随筋材间距缩小而逐渐增大，并且，采用摩根斯顿—普赖斯法计算所得的安全系数比毕肖普法的要大，大约5%～7%。采用不同分析方法得出的滑动面位置大体相似。有限元法在考虑了土体的受力变形后，计算所得的安全系数要高于肖普法及摩根斯顿—普赖斯法。