挡土墙加固边坡的位移及应力变化特性研究

肖 涛

（梅州市梅县区水利水电工程质量安全技术中心,广东 梅州 514700）

1 前言

土质边坡相较于岩质边坡,由于土体材料的强度低,在边坡开挖完成后,如不及时采取其他增强土体力学特性的加固方式,易发生失稳破坏。大量学者对挡土墙加固的土质边坡的应力及位移变化特征开展了研究。温树杰等[1]采用最小势能原理的方法对挡土墙加固条件下边坡安全系数的计算方法进行了研究。研究结果表明：新开发的计算方法与传统Bishop 计算方法所得边坡的安全系数极为接近,可用于挡土前加固边坡时的安全系数计算。陈立伟等[2,3]对用于核能设施和工程的挡土墙加固进行了研究。研究结果表明：在挡土墙加固方法应用于核工程中的边坡加固时,其抗震计算的设计安全系数必须显著高于普通边坡。李思丰等[4]对基覆型边坡在地震条件下采用挡土墙加固后的稳定性进行了试验研究。研究结果表明：软弱夹层可导致地震波在上覆堆积体中的传播形式出现显著差异。介玉新等[5]采用最大位移加速度分析了边坡的稳定性。分析结果表明：基于最大位移加速度方法对边坡进行的安全系数计算,与传统条分法计算结果相同。杨和平等[6,7]对极限平衡法计算边坡安全稳定性与有限元强度折减法分析边坡稳定的特点进行了研究。研究结果表明：处于边坡体中的应力-应变特征,需要采用有限元强度折减法进行计算。

通过对挡土墙加固边坡相关文献的分析可知,大量学者对挡土墙加固形式下的边坡工程的稳定性进行了研究,内容涵盖挡土墙的设计形式、选择类型、加固时采用的组合加固方式等多个方面。本文以某供水工程边坡治理为例,对采用挡土墙对边坡进行加固的效果进行了研究。主要运用FLAC3D 软件进行计算,对边坡加固前后的变形和应力进行分析。

2 工程概况

梅南镇自来水村村通工程重点解决梅南镇的饮水问题,设计水平年供水区人口30574 人。新建自来水厂1 座,新建小型供水处理站16 座。其中,居委平原片区自来水厂工程供水规模2073.29 m3/d,工程类型为Ⅲ型,主要建（构）筑物级别为3 级。梅南镇供水工程供水管网大部分施工地点都在山坡上,取水口和主引水管为沿山铺设,水厂建在山体上,场地整平形成高边坡。工程边坡的横断面图见图1,最上层为沉积土层,力学性质较差,中间层为强风化层,主要受物理风化和化学风化的共同作用；由于上述两层的力学强度弱,因此边坡形式采用阶梯式的边坡断面；最下层为弱风化层,各层材料的相关物理力学参数见表1。

表1 三层土体边坡的材料参数

图1 开挖边坡剖面图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

模型的建立采用Rhino 软件结合Griddle 插件进行,主要是考虑本文的模型较为复杂,在FLAC3D 软件自带的模型构建方法中难以实现,这也是FLAC3D 软件在前处理方面的缺陷,通过导出为‘.f3grid’的文件格式,模型可以在随后的FLAC3D 软件中采用命令流驱动的方式进行导入,设置相应的材料特征和边界条件进行计算,最后模型构建成见图2。严格按照图1 中的原始模型尺寸和区域划分方式进行。斜坡高度为34.6 m,斜坡底部长度为130.1 m,挡土墙为重力式挡墙,布置在坡底端部。挡土墙采用C30 混凝土材料,挡土墙假定为弹性材料,材料重度为32.6 kN·m-3,体积模量和剪切模量分别为3.14×106kN·m-3和2.64×106kN·m-3,粘聚力32.5 kPa,内摩擦角为35°。

图2 构建的边坡及挡土墙加固模型

3.2 未加固时的变形及应力特点

为了显示挡土墙的加固效果,首先进行无支护加固条件下的边坡位移及应力特征计算,获得了计算稳定条件下的边坡内位移云图见图3；同时为了研究边坡内在平衡状态时的边坡内的应力特征,绘制相应的最大有效应力云图,见图4。

图3 未加固时边坡位移云图（单位：m）

图4 未加固时边坡最大有效应力云图（单位：Pa）

图3 所示为不进行其他加固措施时的边坡位移云图,由图可知,当不进行其他加固措施时,边坡内土体的最大位移为4.87×10-2m,最大位移的区域极小,只有中部区域的上表面土体表现出最大的位移变形趋势,向下以极快的速度减小为4.75×10-2m,在靠近最大位移区域的变化速率较大,约为2.5×10-3（无量纲）,越向下方,减小趋势的变化速率越小；其中位移大小为2.5×10-2m 的区域在边坡中所占比例最大,而位于2.5×10-3m～2.5×10-2m 的位移区域主要位于边坡滑体下部。

根据图4 所示的未加固时边坡内土体的最大有效应力云图,由图可知,当不进行其他加固措施时,边坡内的最大有效应力为3.28×105Pa,应力值为负值,根据FLAC3D 软件中的规定,应力拉为正,压为负,因此该最大应力为压应力,最大有效应力的区域主要位于边坡模型的左下端部分,向上以极快的速度减小为2.5×105Pa,在靠近2.5×105Pa 大小的有效应力区域的变化速率较大,约为2.25×104Pa/m,越向下方,增大趋势的变化速率越小；同时越向上方,减小趋势的变化速率也越小；2.5×105Pa 大小的有效应力区域在边坡中所占比例最大。

3.3 加固时的变形及应力特点

经过挡土墙加固后,边坡位移及有效应力的变化特征如图5 和图6 所示,其中,图5 为经过计算处于稳定条件下的边坡内位移云图,图6 为经过计算处于稳定条件下的边坡内的有效应力云图。

图5 挡土墙加固时边坡位移云图（单位：m）

图6 挡土墙加固时边坡有效应力云图（单位：Pa）

图5 所示为采用挡土墙加固措施时的边坡位移云图,由图可知,当进行挡土墙加固措施时,边坡内土体的最大位移为3.24×10-2m,最大位移的区域相较于未加固时向上部偏移,而越靠近挡土墙部位的土体的位移值越小,位移呈现出圆弧型向下不断减小的变化特征,同时,最大位移值所占区域较小,只有上部区域的上表面土体表现出最大的位移变形趋势,向下以极快的速度减小为2.25×10-2m,在靠近最大位移区域的变化速率较大,约为2.75×10-3（无量纲）,越向下方,减小趋势的变化速率越小；其中位移大小为1.0×10-2m～1.75×10-2m的区域在边坡中所占比例最大,而位于2.5×10-3m～1.0×10-2m的位移区域主要位于边坡滑体下部。

根据图6 所示的挡土墙加固时边坡内土体的最大有效应力云图,由图可知,当进行挡土墙加固措施时,边坡内的最大有效应力为2.83×105Pa,小于未加固时的最大有效应力3.28×105Pa,应力值为负值,根据FLAC3D 软件中的规定,应力拉为正,压为负,因此该最大应力同样为压应力,最大有效应力的区域主要位于边坡模型的左下端部分,向上以极快的速度减小为2.0×105Pa,在靠近2.0×105Pa 大小的有效应力区域的变化速率较大,约为2.5×104Pa/m,越向下方,增大趋势的变化速率越小；同时越向上方,减小趋势的变化速率也越小；2.0×105Pa 大小的有效应力区域在边坡中所占比例最大。

4 结论

（1）不进行加固时边坡最大位移为4.87×10-2m,挡土墙加固后的边坡最大位移为3.24×10-2m,挡土墙的存在有效减小了边坡的最大位移。

（2）不进行加固时边坡最大有效应力为3.28×105Pa,挡土墙加固后的边坡最大有效应力为2.83×105Pa,挡土墙的存在有效减小了边坡最大有效应力。

（3）上述对挡土墙加固前后的边坡内的最大位移和最大有效应力的分析表明,在该三层土质边坡工程中,采用端部加挡土墙的支护方式能够有效减小相应的最大位移和最大有效应力,类似工程可参考本文中设计进行加固。