土石混合料高填方边坡稳定性分析

童艳光，蔡增蛟，张 堃，梁松鸿，刘文召，黎森宇

（1、广州环投花城环保能源有限公司 广州 510830；2、中国建筑一局（集团）有限公司 北京 100161；3、广东工业大学土木与交通工程学院 广州 510006）

0 引言

随着时代的高速发展，城市的不断扩张，交通道路设施的建设不断从平地向地形复杂的山林地区修建，形成大量的高填方边坡［1～3］。但高填方工程设计和施工要求相对严格，时有发生的高填方边坡滑坡灾害，使得高填方边坡研究显得很有必要［4］。关于高填方边坡稳定性问题，诸多学者做了大量的研究，如徐坤等人［5］采用多种极限平衡法对涉及填料的物理力学特性、填筑过程等复杂因素的高填方边坡进行稳定性分析；杨大志等人［6］用有限元分析土工格室加筋在高填方边坡的应用；侯俊伟等人［7］用有限元和大型直剪试验研究分析高填方边坡变形失稳机制；叶帅华等人［8］针对黄土高填方边坡运用有限元探究其影响因素及变形规律。然而如今关于高填方边坡稳定性的研究很少会侧重对于土石混合料加筋土、抗滑桩锚索作用以及土石混合料浸水饱和的研究。因为若由于地形复杂和地质条件的限制，会使得许多高填方边坡无法进行自然放坡［9］，此时土石混合料加筋土边坡可以发挥其因地制宜、减少放坡率、提高边坡整体稳定性优等点［10］，满足在复杂地形地质下的工程要求；若高边坡下方土体性质较好，在抗滑桩处设置锚索也能对高填方边坡稳定性起到一定作用［11］；若在降雨工况下，浸水使土石混合料饱和会使土体强度降低，从而使边坡稳定性下降［12］。因此，研究土石混合料间的土工格栅、抗滑桩的锚索和浸水饱和的土石混合料对高填方边坡稳定性的影响也是一个值得关注的方向。

本文以广州市某热力电厂工程为项目依托，通过有限元数值模拟，研究分析在此工程中，土工格栅、抗滑桩的锚索与土石混合料浸水饱和状态下对土石混合料高填方边坡稳定性的影响。文中采用专业岩土工程有限元软件Midas GTS，对工程中的边坡进行数值模拟［13］，通过工程资料确定边坡有限元模型的计算参数，通过控制变量的方法去探究土工格栅、抗滑桩的锚索以及土石混合料在浸水饱和状态下的对边坡稳定性的影响，为以后相关地质条件开展的边坡工程提供参考。

1 工程概况

广州市某热力电厂土石混合料高填方边坡工程位于广州市花都区，距S114 省道直线距离约2 km，在一期工程的南侧和北侧进行扩建，具体位置如图1 所示。高填方边坡场地内广泛分布人工填土、粉质黏土、强风化砂岩和泥岩，岩石完整程度大多为极破碎，总体而言，场地内岩土性能情况较为恶劣，本文模型的建立选取高填方边坡P17-P17 剖面一处，具体边坡剖面及土层分布如图2所示，其中高架桥为未建部分。

图1 土石混合料高填方边坡工程具体位置Fig.1 Specific Location of Soil-rock Mixture High-filling Slope Engineering

图2 边坡剖面及其土层分布Fig.2 Slope Profile and Soil Layer Distribution （mm）

2 三维有限元计算模型

2.1 模型建立

为了模拟真实的边坡状态，分析其稳定性，根据工程实际，建立了如图3所示的整体三维有限元模型，模型大小取109 m×60 m×52 m（长×宽×高），边坡坡度为1∶1，充足考虑了边界效应所带来的影响因此在边坡的右侧延伸了一定的距离。锚索如工程实际设置在抗滑桩后且嵌入强风化粉砂质泥岩层，如图4所示；土工格栅在土石混合料之间分层设置。模型的边界条件：底部为固定约束边界，模型四周施加法向约束，其余为自由边界。

图3 Midas GTS有限元模型Fig.3 Finite Element Model of Midas GTS

图4 锚索在模型中的布置Fig.4 Layout of Anchor Cable in the Model

有限元数值模拟计算中，锚索的模拟采用1D 单元植入式桁架去模拟；土工格栅的模拟采用2D 单元土工格栅（2D）去模拟；岩土体采用3D 单元实体去模拟。锚索、抗滑桩及土工格栅等均采用线弹性本构模型，岩土体采用弹塑性莫尔-库伦本构模型。土工格栅在工作状态下应力应变关系位于弹性范围内，根据土工格栅的拉伸试验结果［14］，可确定其计算参数。其中，土石混合料的抗剪强度指标由现场大型直剪试验确定［15］，其试验结果如图5 所示，根据抗剪强度包线，可得土石混合料在天然状态下以及浸水饱和状态下的强度参数，其余岩土体强度参数取值均参照项目工程所提供的勘探报告。具体有限元模型中各种材料物理力学参数如表1所示。

表1 有限元模型各材料物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Materials in the Finite Element Model

图5 现场大型直剪试验土石混合料抗剪强度包线［15］Fig.5 Shear Strength Envelope of Soil-rock Mixture in Large-scale Direct Shear Test on Site

2.2 有限元强度折减法

边坡稳定性是指抗滑力与滑动力的两者之比［16］。Midas GTS 的边坡稳定分析采用了基于有限单元法的强度折减法［17］。有限元强度折减法（SRM）用于计算边坡在事故点或失稳点的安全系数，其原理是：在外荷载保持不变的情况下，不断对边坡抗剪强度参数c，φ进行折减，使强度不断调整，直到系统达到不稳定状态时，有限元计算将不收敛，即边坡处于临界平衡状态，此时折减系数Fs即边坡安全系数［18］。强度折减法仅用于安全系数大于1 的边坡，但是其不需要作假定，分析环境更理想，误差较小［19］。安全系数计算具体公式如下：

式中：Fs为强度折减系数；c′为折减之后的粘聚力；φ′为折减之后的内摩擦角；τ′为折减之后的抗剪强度。

2.3 有限元模型的变量

为研究分析在此边坡中，土工格栅、抗滑桩的锚索和土石混合料在浸水饱和状态下对土石混合料高填方边坡稳定性的影响。本次有限元模拟设置了3个变量：①天然状态下还是浸水饱和状态下的土石混合料；②有无设置土工格栅；③有无设置抗滑桩的锚索。为探究三者的关系，分别模拟了5种工况，其具体工况设置如表2所示。

表2 不同工况下对应设置的条件Tab.2 Corresponding Setting Conditions under Different Working Conditions

3 数值模拟结果与分析

3.1 不同工况条件下边坡的稳定系数

对5个不同工况下的高填方边坡进行数值模拟计算，得到最终安全系数Fs分别为1.57、1.44、1.50、1.43、1.23。

其中在天然土石混合料状态下，即工况1～4 中，这4 种工况下他们的变量是②有无设置土工格栅③有无设置抗滑桩的锚索，且他们的滑裂面发生的位置相近，形状类似，以工况1为例，如图6⒜所示。

在土石混合料浸水饱和状态下，即工况5，其滑裂面与其他4 种工况截然不同，如图6⒝所示。

图6 土石混合料天然状态下有效塑性应变Fig.6 Effective Plastic Strain of Soil-rock Mixture under Natural Conditions

3.2 结果分析

对土石混合料的不同状态进行分别讨论。

3.2.1 天然状态下土石混合料

从上述结果，可以看出天然状态下土石混合料的4种工况安全系数都处在稳定状态下（Fs≥1.30），且其滑裂面会发生在土石混合料的下方与右侧，除了土石混合料的右下部有一小部分会形成外，滑裂面其余大部分发生在土质较软的素填土和粉质黏土处，且其形状显得较长且较宽。同时由于有抗滑桩的阻挡作用，无论软土部分还是土石混合料部分，抗滑桩的两侧土体均发生了一定的塑性应变，不过这对于高填方边坡的整体稳定性不会有太大的影响。

此时，对比工况2 和工况4，其安全系数差别并不大，两种工况所控制的唯一变量是有无土工格栅，有土工格栅的工况相比无土工格栅其安全系数仅提升了0.01，即提升了0.7%，这是由于滑裂面并没有发生在土石混合料填方的边坡，即土工格栅分层设置的地方，因此此时土工格栅的作用并没有被太大地体现出来。

在土石混合料天然状态条件下起到影响安全系数或边坡稳定性的，其实更多体现得到的是锚索和抗滑桩的作用，由图4可以清晰看出，锚索所设置的位置会贯穿滑裂面的下侧，对于抗滑桩的抗倾倒以及边坡滑裂的发生起到一定的作用，对比工况3 和工况4，锚索的存在安全系数提升了0.07，即提升了4.9%，因此，锚索对此边坡的稳定性起到很大作用。

最后，对比工况1 和工况3，设置土工格栅可以使安全系数得到进一步提升，因此，在此高填方边坡中，同时设置锚索以及土工格栅是一个正确的做法。

3.2.2 浸水饱和状态下的土石混合料

从上述结果，可以看出浸水饱和状态下的土石混合料工况下，即工况5，其安全系数仅为1.23，处于基本稳定状态（1.05≤Fs≤1.30），其滑裂面发生在抗滑桩顶端的右侧，跨越了整个土石混合料部分，且其形状显得较短且较狭窄，相比天然状态土石混合料工况下的滑裂面有着明显的区别。由于滑裂面大部分发生在抗滑桩的上侧，因此抗滑桩的左右两侧并没有发生明显的塑性应变。

对比工况1 和工况5，土石混合料浸水饱和状态下与天然状态下相比，安全系数降低了0.34，即降低了21.7%。导致其安全系数有明显的降低，是由于浸水饱和后，土石混合料的土体强度下降明显，在工况5中，由于滑裂面发生的位置横跨土石混合料部分，使得土工格栅的作用得以体现，再次印证了土工格栅的设置对于维持边坡的稳定有着重要的作用。

同时，从结果中可以推断出，当降雨的发生，土石混合料不断浸水饱和，其强度随之不断减少，会使得边坡滑裂面不断上移，且长度变短，宽度也变窄，安全系数不断降低，影响高填方边坡的稳定性。在此过程中，根据滑裂面的移动，影响边坡稳定性的主导构件也将会从锚索逐渐转至土工格栅中。

4 结论

广州市某热力电厂土石混合料高填方边坡工程，其工程地质条件复杂，填方高度较大，对合理的边坡支护体系选择提出了较高要求，通过采用压实的加筋土石混合料作为填筑料，联合抗滑桩+锚索的支护体系，确保了高填方工程的顺利实施和安全稳定，得到的主要结论如下：

⑴当土石混合料处于天然状态时，高填方边坡处于稳定状态，其稳定安全系数大于1.4，边坡滑裂面出现在原状土层内部且埋置深度和延展宽度较大。

⑵当土石混合料浸水饱和状态时，高填方边坡的稳定安全系数降低至1.23，边坡滑裂面出现在土石混合料与原状土层的界面附近且埋置深度和延展宽度较小。

⑶土工格栅和锚索的设置均有利于提高填方边坡的稳定性。同时，为确保土石混合料填方边坡的稳定性具有足够的安全储备，需要做好土石混合料的排水防渗工作，避免土石混合料或其他土体浸水软化，强度降低，诱发边坡的失稳破坏。