单一挡土墙支护边坡安全性的数值模拟研究

丁 婧

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110006)

挡土墙因可充分利用当地资源、阻滑效果好，在工程界广泛运用，对此学者们也进行了大量的研究。黄岳文[1]介绍了挡土墙的功能，并提出了挡土墙抗滑设计方法，通过实际观测认为：不同形式的挡土墙阻滑效果不同。吴邦硕等[2]结合某边坡工程，提出了生态挡土墙+清淤技术，此技术满足边坡防护的同时，还做到了美化景观。黎凤林等[3]提出了在城市设计中，应当注意挡土墙的设计类型、设计形式和构成要求，以达到美化城市的目的。王雪冰等[4]认为岩土体的泊松比对挡土墙的失稳有较大的影响，并提出了考虑泊松比的挡土墙设计方法，此方法认为泊松比越大，设计的挡土墙的稳定性越强。何许静[5]结合某实际挡土墙工程，分析了挡土墙的开挖、模板安装、浇筑等过程，并提出了相应的质量控制方案，此方案能够保证挡土墙的顺利施工。王理吉[6]认为锚杆+挡土墙的组合结构形式能够充分发挥锚杆和挡土墙各自的优点，可进一步提高边坡的稳定性。李斯杨[7]为寻求最优的挡土墙设计方案，利用数值模拟对挡土墙的厚度进行了研究，结果表明：不同的厚度条件下，挡土墙的安全性不同。李仕林[8]认为挡土墙墙背倾角不同，主动土压力KA不同，可结合岩土体类型选择不同的墙背倾角，以达到节约工程造价的目的。杨化庆[9]研究了挡土墙的发展现状，提出了装配式挡土墙结构，通过分析可知，装配式挡土墙能够大量节约工期，以达到节约工程造价的目的。徐庶德[10]提出了悬臂式挡土墙方案，通过数值模拟对此方案进行了研究，结果表明：悬臂式挡土墙的受力更加合理。

然而以上的研究并没有从支护后边坡的位移、受力等进行考虑，基于此本文结合一实际工程，利用挡土墙进行加固，并通过数值模拟对加固后的边坡进行研究。

1 工程概况

该边坡位于辽宁省内，坡脚处拟拓宽水路，因此须对边坡进行加固，结合边坡类型和设计经验，选择重力式挡土墙进行支护，支护如图1所示，岩土体的物理力学性质见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 重力式挡土墙支护示意

2 数值模拟

2.1 模型的建立

利用MIDAS SOILWORKS对边坡进行数值模拟研究，统一以每1m进行网格划分，采用混合四面体网格进行划分，对边坡进行左右两侧的水平约束，底面进行位移和速度的刚性约束，数值模拟计算至边坡稳定时截止。

挡土墙选择弹性模型，弹性模量、泊松比和容重分别为1.3×105kN·m-3、0.2和27.4kN·m-3，碎石土选择莫尔库仑模型，弹性模量、泊松比和容重分别为3.6×104kN·m-3、0.3和23.5kN·m-3，粘聚力和内摩擦角分别为18.7kPa和31°。

2.2 模拟的结果

2.2.1位移分析

加固边坡后的水平位移和总体位移如图2—3所示。

如图2所示，坡脚处出现竖直向下的位移，最大值为6.9mm，此区域占整个岩土体约8%，风化土区域出现竖直向上的位移(隆起)，最大值为1.7mm，此区域占整个岩土体约12%，超过68%区域的岩土体几乎没有竖向位移，最大竖向位移数值也不超过15mm，满足边坡的位移要求。另一方面可知，边坡防治的重点在于坡脚处和风化土区域。

图2 边坡的竖向位移(单位：m)

如图3所示，边坡的整体位移主要集中于坡脚处和风化土区域，最大位移为8.4mm，坡脚处位移区域约占整个边坡岩土体的11%，风化土区域最大位移约为4.2mm，约占整个边坡岩土体的14%，基岩区域几乎不发生位移，总体位移区域较竖向位移约束大。最大竖向位移数值也不超过15mm，满足边坡的位移要求。

图3 边坡后的总体位移(单位：m)

2.2.2应力应变分析

加固边坡后的应力云图和岩土体单元破坏区域分别如图4—7所示。

如图4所示，边坡所受x方向的应力主要集中于风化土与基岩区域界面，与理论相符合，一定程度上说明数值模拟结果的有效性。风化土区域应力较为集中，约占风化土区域的18%，说明若需要对边坡进一步支护，风化土区域是支护的重点。坡脚处水平应力也较大，但因为分布较为均匀，没有出现应力集中的现象，因此可认为水平应力不会在坡脚处产生威胁。

图4 边坡x方向应力云图

如图5所示，边坡所受z方向的应力主要集中于风化土与基岩区域界面，坡脚区域。风化土区域应力较为集中，约占风化土区域的18%，说明若需要对边坡进一步支护，风化土区域是支护的重点。坡脚处水平应力也较大，但因为分布较为均匀，没有出现应力集中的现象，因此可认为水平应力不会在坡脚处产生威胁。

图5 边坡z方向应力云图

如图6所示，边坡x、z方向的应力主要集中于坡脚处，最大值为84MPa，应力影响区约占整个岩土体的16%，因为挡土墙的重度明显高于基岩，施加挡土墙以后必然会导致下方区域岩土体屈服，进而导致岩土体发生破坏。另一方面分析可知，剪应力区域并没有贯通，说明边坡并不会发生整体滑移破坏，坡脚处会因为岩土体屈服发生应力集中，但结合图2—3可知，坡脚处并不会发生位移破坏。基岩区域没有发生x、z方向的剪力破坏，说明基岩区域的稳定性较好。

图6 边坡x、z方向应力云图

如图7所示，岩土体单元破坏区域主要集中在挡土墙下部和坡脚处，此破坏区域与岩土体所受应力相对应，基岩依然没有发生塑性破坏，说明基岩并非是防治的重点，防治的重点在于挡土墙周围和坡脚处。

图7 岩土体单元破坏区域

支护后边坡的稳定性为1.42，此数值在工程要求的范围内，说明挡土墙起到了防治边坡失稳的目的，如果需要进一步加强支护，坡脚处是防治加固的重点，其次可对风化土区域进行支护，如施加锚杆、锚索和喷砼等。

2.2.3数值模拟总结

(1)边坡的竖向位移和总体位移达到工程要求，位移较大区域主要位于风化土和坡脚区域；

(2)受力的角度分析，坡脚处是防治的重点，但是坡脚处应力集中并不严重，可认为边坡的受力在工程允许的范围内；

(3)岩土体破坏区域主要位于挡土墙下部和坡脚处，进一步说明了坡脚处是防治的重点，另一方面从剪切应力分析可知，若边坡失稳，坡脚处最易发生剪出破坏；

3 结论

本文研究了挡土墙施加后边坡的受力、位移和破坏区域等，可得如下结论：

(1)边坡的竖向位移和总体位移均控制在合理的范围内，不会对边坡的稳定性造成不良的影响，位移发生区域主要位于风化土区域和坡脚处，说明边坡治理的后期重点在于风化土区域和坡脚处。

(2)边坡x和z方向的应力主要集中于坡脚处，说明坡脚处容易出现应力集中，应当注意坡脚处的受力和位移。

(3)边坡x、z方向的剪应力主要集中于挡土墙下部和坡脚处，但滑动面并没有贯通，说明边坡不会发生整体滑动，如果边坡会发生小规模滑动，那么坡脚处易形成剪出口。

(4)边坡的安全系数为1.42，破坏区域主要集中于坡脚处，说明挡土墙确实是起到了支护的目的，若须进一步进行支护，支护的重点在于坡脚处，其实为风化土区域，基岩的稳定性较好，可不必对基岩施加防治措施。