基于FLAC3D的软岩高边坡支护方案研究

2020-10-26刘喜康

工程技术研究 2020年17期

刘喜康

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650000）

近年来，高速公路建设加速，一大批高速公路陆续建成。特别是云南地区，高速公路往往建设在地形地质条件复杂的山区，而软岩高边坡在工程中也非常常见。软岩具有显著的流变性质，岩体松散，力学性能差[1]，作为高速公路路堑边坡岩体时，常常因开挖扰动、降雨等原因而发生失稳，给工程建设造成极大困难。在建建元高速公路丫沙底停车区边坡地层为砂质黏土、强风化泥质粉砂岩及中风化泥质粉砂岩，边坡岩体松散，开挖扰动后边坡发生失稳无法继续施工，需要重新进行边坡的支护方案设计。文章采用FLAC3D有限差分软件对丫沙底停车区边坡开挖施工过程进行模拟，使用强度折减法[2]计算无支护及锚索框架梁支护情况下边坡在天然、降雨及地震工况的稳定安全系数，进而分析边坡在各工况的稳定性，提出抗滑桩设置的必要性，并对抗滑桩的设置位置进行了计算分析，推荐了最优桩位。

1 工程概况

丫沙底停车区位于建元高速公路个旧至元阳段丫沙底温泉附近，停车区高边坡支护结构原设计为锚索框架梁支护，边坡典型断面如图1所示。

图1 丫沙底停车区边坡典型断面图

边坡地层分为3层，由上而下具体如下：（1）灰黄色砂质黏土夹碎、砾石，承载力基本容许值为180kPa；（2）强风化泥质粉砂岩，岩体呈灰黄色，结构大部分已破坏，岩体结构面很发育，呈碎裂状，承载力基本容许值为300kPa；（3）中风化泥质粉砂岩，岩体呈灰绿色，结构完整，裂隙较发育，岩体呈层状结构，承载力基本容许值为1000kPa。

边坡开挖分四级开挖，开挖坡比为1∶1，第一级至第三级边坡采用20m锚索（锚固段10m）+钢筋混凝土框架梁支护，第四级边坡采用10m砂浆锚杆+钢筋混凝土框架梁支护，锚杆及锚索均施加预应力。

2 边坡开挖支护过程稳定性研究

2.1 模型建立

首先利用Ansys软件建立丫沙底停车区边坡三维有限元计算模型，然后导出FLAC3D模型格式进行计算。边坡模型长度方向（X方向）取115m，高度方向（Y方向）取91m，宽度方向（Z方向）取18m，重力加速度方向为-Y方向。本构模型采用摩尔-库伦准则，岩土体采用六面体单元、锚索采用Cable单元、钢筋混凝土框架梁采用Beam单元模拟[3]。模型底部施加固定约束，其他自由面施加法向位移约束。三维有限元计算模型共23256个节点，20574个单元，如图2所示。

图2 边坡三维有限元计算模型

2.2 参数选取

各岩土层密度ρ、变形模量E、泊松比μ、凝聚力C、内摩擦角φ取值如表1所示。

钢筋混凝土框架梁截面为0.5m×0.55m矩形截面，弹性模量3×104MPa，泊松比0.2。预应力锚索弹性模量19.5×104MPa，抗拉强度1860MPa，锚固段粘结砂浆为M30水泥砂浆，锚索设计张拉吨位为46.9t。预应力锚杆弹性模量20×104MPa，抗拉压屈服强度340MPa，粘结砂浆为M30水泥砂浆，设计张拉吨位为12t。设计地震峰值加速度为0.15g。

表1 岩土层物理力学参数取值

2.3 计算工况

为了对比分析无支护状态及锚索框架梁支护状态边坡的稳定性，考虑模拟天然工况不设支护时施工全过程及开挖一级后立即进行锚索框架梁支护时施工全过程。因持续降雨及地震工况不可能进行边坡施工，故持续降雨及地震工况仅计算边坡施工前及边坡施工完成后两个阶段。

2.4 结果分析

天然工况、长期降雨工况及地震工况强度折减法安全系数计算结果如表2所示。

表2 各工况安全系数计算结果支护结构

由表2可知，在天然工况不设边坡支护的情况下，除第一级边坡开挖后因削坡减载效应安全系数较施工前略有提高外，随着边坡向下开挖，边坡安全系数逐步降低，到第四级开挖完成后，天然工况不设支护时边坡的安全系数为1.01，处于临界失稳状态。由于持续降雨及地震工况下不设边坡支护时，施工前及施工完成后边坡安全系数均小于1，无法维持稳定。因此，该停车区边坡必须设置支护结构。

按设计方案设置锚索框架梁的情况下，天然工况边坡开挖施工各阶段的安全系数均明显提高，范围在1.33～1.44。持续降雨工况第四级边坡开挖完成后安全系数为1.31，满足设计持续降雨工况安全系数大于1.1的要求。但在边坡施工完成后遭遇设计地震的情况下，边坡安全系数为1.04，不能满足设计地震工况安全系数大于1.05的要求。因此，为了确保该停车区边坡全生命周期的安全性，仅采用锚索框架梁支护并不能满足要求，还需要考虑抗滑桩、挡土墙等其他支护方式。

天然工况边坡施工前、不设支护结构时第四级边坡开挖完成后及锚索框架梁支护第四级边坡开挖支护完成后三种情况边坡失稳的潜在滑动面对比如图3所示。

图3 各种情况潜在滑动面对比图

由图3可知，边坡施工前最危险滑动面位置位于边坡上部，安全系数为1.13。若不设支护结构，随着边坡分级下挖，最危险滑动面逐渐下移，第四级边坡开挖完成后，最危险滑动面从坡顶至坡脚贯通，安全系数降低至最低值1.01，处于临界失稳状态。若按原设计设置锚索框架梁，第四级边坡开挖完成后，最危险滑动面上移，从第三级边坡坡面滑出，安全系数提高为1.39。可见，设置锚索框架梁对边坡稳定性的提高是显著的。天然工况不设支护结构及天然工况设置锚索框架梁支护两种情况下，第四级边坡开挖完成后边坡的位移矢量图对比如图4所示。由图4可知，不设支护结构开挖至第四级边坡后，坡面最大位移达60cm，位移方向顺边坡向下，指向坡外，说明边坡基本处于失稳状态。设置锚索框架梁后，最大位移为边坡开挖后回弹位移14cm，且边坡位移方向顺边坡向上，不再指向坡外，这是预应力锚索框架梁发挥的重要作用。

3 抗滑桩设置及优化

3.1 抗滑桩设置的必要性

锚索框架梁是高速公路边坡支护的常见形式，设置锚索框架梁极大地提高了边坡的稳定性，但对于丫沙底停车区边坡，锚索框架梁支护后，在地震工况边坡安全系数仍然达不到设计要求，需要再考虑增加其他支护形式。

图4 不设支护与设置支护开挖后位移矢量图

常用的滑坡治理措施有排水、削坡减载、挡土墙、滑带土改良、抗滑桩等。丫沙底停车区位于山区，地形复杂，施工工作面小，且覆盖层较厚，若修建挡土墙，挡土墙基础无法置于坚实的地基上。边坡天然状态稳定安全系数较小，削坡减载会扰动边坡，进一步降低边坡的安全性。采用滑带土改良，一方面因施工面狭窄，无法使用机械设备，另一方面因覆盖层厚，滑带土改良投资较大，因此也不便使用。抗滑桩在山区施工较为方便，只需要小面积的施工平台，采用人工挖孔施工，既可以降低对边坡的扰动，又能快速成桩，且抗滑桩对边坡稳定性的提高作用明显。综合考虑，丫沙底停车区增加支护结构的最优选择为抗滑桩。结合设计建议，该边坡最终选用长24m，截面为2m×3m矩形的钢筋混凝土抗滑桩。

3.2 桩位分析选择

抗滑桩设置的位置不同，对边坡稳定性的作用也不同，桩位的选择至关重要。为了研究抗滑桩设置的最优桩位，文章使用FLAC_3D有限差分软件的Pile结构单元模拟抗滑桩，拟定第一级边坡坡顶（P1）、第一级边坡马道（P2）、第二级边坡马道（P3）、第三级边坡马道（P4）、边坡坡脚（P5）五个桩位，计算天然工况边坡在锚索框架梁及抗滑桩共同支护下的稳定安全系数，计算结果如表3所示。

表3 不同桩位边坡天然工况安全系数

由表3可知，抗滑桩设置于第一级边坡坡顶（P1）、第一级边坡马道（P2）及第二级边坡马道（P3）时，边坡安全系数为1.46～1.49，相比天然工况不设抗滑桩时第四级边坡开挖完成后的安全系数1.39有明显提高。但设置于第三级边坡马道（P4）、边坡坡脚（P5）位置时，边坡安全系数为1.40～1.41，与不设抗滑桩时相差不大，说明抗滑桩设置于第三级边坡马道（P4）、边坡坡脚（P5）位置对边坡的支护效应不明显。抗滑桩设置于第三级边坡马道（P4）位置时最危险滑动面如图5所示，可以看到，最危险滑动面从第三级边坡接近坡脚的位置滑出，即抗滑桩设置于第三级边坡马道（P4）、边坡坡脚（P5）位置，并未穿过最危险滑动面，故抗滑效应没有得到发挥。

图5 抗滑桩设置于第三级边坡马道（P4）位置时最危险滑动面

从上述计算分析的角度看，抗滑桩设置于第一级边坡坡顶（P1）时，边坡安全系数最高。但从边坡现场运输条件看，坡顶施工抗滑桩需要额外修建施工便道以便于抗滑桩施工，施工难度大，且需要额外增加占地，现场抗滑桩设置于低高程边坡马道上更有利于施工。抗滑桩设置于第三级边坡马道（P3）时安全系数为1.46，与设置于第一级边坡坡顶时，边坡的安全系数1.49相差不大。综合考虑，抗滑桩的最优设置位置为第三级边坡马道（P3）位置。

抗滑桩设置于第三级边坡马道（P3）位置时，计算得到持续降雨工况边坡安全系数为1.17，地震工况边坡安全系数为1.09，均满足设计要求。