高陡边坡抗滑桩-土相互作用离散元模拟及加固分析

梁 策，邓祥明

(广西南天高速公路有限公司，广西 河池 547200)

0 引言

山区高速公路路堑高陡边坡易受到外部各种不稳定因素如雨水、地震或者人工等的影响，而发生滑坡、崩塌等沿着软弱面或软弱带整体或局部向下滑动的地质灾害[1-2]。针对这一情况，现有的规范、手册等给出了重要的参考性方法及措施，但是在实际工程中，如何通过采用合理的工程手段使得工程在满足安全的前提下实现经济性、养护便捷和合理性，仍需多方面的研究与探讨。目前在边坡工程中普遍采用的支护方案主要有：抗滑桩、复合土钉墙、锚杆(索)、混凝土(钢)内支撑等或多种组合支护形式。其中抗滑桩以其设计简单、结构组合多样、成本低、与其他支护手段兼容性强等优点，广泛应用于各类基坑与边坡工程当中。其中抗滑桩的设计优化主要以极限平衡法、塑性理论[3]等理论计算手段的改进、室内相似模型试验[4]、原位桩身变形和内力的监测测试试验[5]等方法达到抗滑桩的设计优化。

而对于发生下滑的边坡，其产生滑动的过程中存在大变形、大位移的特点，有限元方法难以应用。而离散元方法因其颗粒间能够在运动中相互分离、重新接触链接，对于这种大变形问题拥有较好的适用性[6]。国内外学者对采用离散元法模拟滑坡已开展了广泛的研究。

本文以某山区高速公路桩号为K40+440段高陡边坡为具体研究对象，利用PFC颗粒流软件对边坡稳定性及抗滑桩加固效果开展离散元模拟分析，为相关工程实践提供参考。

1 工程地质概况

该高速公路边坡为高陡型边坡，地形陡峭。其中，上覆土层为粉质黏土，厚2～4 m。下伏基岩为三叠系中统(T2)泥岩。该边坡岩层产状较为多变，取最不利的岩层产状：40°∠230，为顺向边坡。强风化层厚约15 m，边坡最大高度为60.4 m。强风化岩体较为破碎，碎块间结合很差，物理力学参数较低，边坡开挖后稳定性差，易发生崩塌、弧形滑动。根据工程地质勘察现场试验和室内试验，边坡的岩土体力学参数如表1所示。

表1 岩土体的物理力学参数表

2 PFC离散元模型的建立

2.1 细观参数标定与验证

PFC颗粒流离散元是模拟离散岩土体的一种有效方法，其中离散元模拟中所需参数是一系列细观参数，包括颗粒接触模量、粘结强度、摩擦系数与颗粒重度等关键变量及相应微观倍率。这些参数与实际的材料物理力学参数尚没有直接可以准确应用的对应关系，因此不能将实验得到的参数通过特定转换公式不加矫正地直接应用于PFC颗粒流离散元模拟。细观参数标定通常是通过数值模拟试验(如单轴压缩试验、双轴压缩试验或巴西劈裂试验等)来建立彼此之间的联系，从而达到参数标定的作用，其本质上是一种等效代换标定。该边坡的岩土体材料细观参数标定结果见下页表2。

因本边坡高为60.4 m，长约80 m，根据材料性质的不同，可分为上下两个区域。为了更加准确地确定最危险滑面，对边坡表面根据其属性不同进行分区与建立模型。

表2 离散元材料细观参数表

2.2 离散元模型的建立

通过采用PFC 2D软件，利用上述所得细观参数，建立了标准的2D边坡模型。其简要建模过程如下：CAD建立模型→PFC软件导入单层dxf文件→每单层通过颗粒半径、孔隙比控制填充→循环完成全部层面建立→胶结固定→定义材料及属性→模型应力平衡→控制约束边界→计算边坡稳定性→进行数据后处理与分析。

在CAD中绘制滑坡各层边界与边坡最外层轮廓边界，按照重力堆积顺序分别生成dxf文件。通过各dxf文件形成“wall”单元生成各层面坡面地形与组合成分界面。考虑到因离散元中的尺寸效应与颗粒数量会对计算精度与计算速度产生不利影响，根据相关研究成果[7]采用“ball”命令生成颗粒，并使颗粒直径小于最短模型边界1/30时，即可取得较好的计算精度与速度的平衡。通过模拟重力作用，使边坡范围内的颗粒在重力作用下平衡后，删除堆积体外的颗粒，并根据所对应的岩土体微观参数属性对由dxf文件所确定颗粒集合进行分组，分别赋予其属性数值。最终生成的模型如图1所示。

本研究通过分别建立原始边坡模型、多级边坡模型与多级边坡组合抗滑桩加固模型等不同模型，对高陡边坡抗滑桩-土相互作用及加固效果进行研究对比。为实时获得边坡在计算滑动过程中岩土体所处的应力状态及孔隙率等关键参数的变化情况，在潜在滑动面、桩身周围以及桩端范围内布设了一系列测量圆(见图2)。

图1 原始边坡离散元模型图

图2 桩周测量圆布设位置示意图

3 荷载传递规律及滑坡稳定性分析

3.1 滑坡稳定性分析

待颗粒平衡到位后，通过删除每个层面之间的分界墙，并对滑坡模型施加重力作用，让完成平衡过程的颗粒速度以及位移清零，并使其在重力作用下发生自然下滑过程。

(1)对于路基边坡在未采取防护措施的工况下，边坡坡体出现了与预测相一致的贯通连续滑动面(如图3所示)，即该边坡存在着坡体沿软弱结构面向下滑移的可能性。在该工况下滑坡中颗粒的最大水平滑动距离约为21 m。

图3 原始边坡位移云图

(2)由于原始边坡稳定性不满足相关安全要求，故通过对原始边坡采用多级边坡的防护方法进行加固防护。通过同样的步骤与稳定时间后的位移情况如图4所示。对比图3可以看出，该边坡未能出现完全贯通面，但是受到上覆物整体重量较大的影响，在最下一级边坡特别是坡脚处出现了较大的水平向位移，这对边坡的整体安全存在一定的不利影响，其最大水平位移为3～4 m。相较于原始边坡的21 m虽有所减小，但是仍不满足边坡足够的安全需求，需要针对这一问题进一步增强支护效果。

(3)针对如图4所示上面层部分区域位移较大这一不利情况，通过在最低一级边坡坡顶采用抗滑桩进行加固的方法，解决了最低一级边坡稳定性不足的问题，其采用的抗滑桩长度为20 m、直径为220 cm。在该工况下稳定后，本边坡最大水平位移出现在桩外侧未进行加固的土体颗粒中，其水平位移可达2.6～3 m，未能实现完全的稳定；而经过抗滑桩加固的上部岩土体位移显著减小(如图5所示)，平均最大位移约为0.8 m左右。而本模型中颗粒直径同样在0.8 m左右水平，可以认为其移动程度很低，边坡整体稳定性较好，满足边坡安全所需。

图4 采用多级边坡处理的位移云图

但是，在这一工况下应注意到存在着第一级边坡出现部分颗粒发生较大位移以及桩上部多级边坡仍存在一定程度变形等问题。对此需要对坡面进行加固处理。

图5 多级边坡结合抗滑桩加固后位移云图

3.2 荷载传递规律

在抗滑桩加固这一方法中抗滑桩桩侧的水平向阻力的传递规律也是影响边坡稳定与整体安全的重要因素。通过前面布置的测量圆获得水平向的力学表现。由图6可知，水平向侧阻力随着深度的增加逐步提高，在岩土交界面由于性质变化出现了下降，交界面两侧的力增长速度也存在明显不同。深度在80 m附近，作为原潜在滑动面，颗粒间孔隙度出现了显著减小，水平向力出现了明显的变化，这一力学变化规律对于桩的结构设计具有重要的指导价值。

桩与岩土体力链关系如图7所示。根据该图可以看出，边坡的力链分布服从上小向下大逐渐发展的过程规律。在桩抗滑侧的力链显著大于背滑侧且广泛地与桩相结合，从桩侧延伸至边坡内部较深位置，证明桩起到了很好的止滑作用。在桩的另一侧，力链分布稀疏且长度较短，该侧总体受力明显较弱。

图6 水平向侧阻力与深度关系曲线图

图7 桩与岩土体力链云图

4 结语

本文以某高速公路的高陡边坡为例，采用PFC 2D软件建立了边坡二维模型并对其各工况下的稳定性进行了分析；在考虑桩-土相互作用的基础上，研究抗滑桩支护的原边坡变形破坏特点，并以此为基础对变形破坏的边坡进行支护设计研究。研究结果表明：

(1)离散元法可以通过定期对颗粒的观测实现对滑坡破坏的全过程分析，并能够直观地展现出滑坡破坏的过程，可以很好地揭示滑坡的形成过程与破坏机理，为整体支护设计提供参考。

(2)通过采用多级边坡对边坡进行支护处理，基本可以实现边坡主体稳定。在多级边坡这一基础上配合采用抗滑桩进行支护，效果显著提高，达到了安全防护的目的。

(3)抗滑桩的侧阻力随着深度的增加而增大。在潜在滑动面由于颗粒孔隙度的下降，颗粒间作用力有所下降，致使力出现了波动。这一潜在的剪切作用为抗滑桩设计提供了重要的参考。

(4)结合第一级边坡出现部分颗粒发生较大位移以及桩上部仍存在一定程度的变形等问题，建议对各级边坡进行锚索框架支护，而且第一级、第二级边坡是重点需要关注的对象。