高填土边坡稳定性及支护措施数值模拟研究

李兄莲

摘要：文章以海東市云驿光伏电站填土边坡加固处理工程为依托，利用强度折减法通过ABAQUS软件对边坡的3种支护方案进行研究，分析了填土边坡在重力式挡土墙、抗滑桩和预应力锚索支护作用下边坡的稳定性。研究结果表明：边坡未支护、采用重力式挡土墙、抗滑桩支、预应力锚索支护后，边坡的最大水平位移分别为45.54 cm、42.26 cm、14.24 cm、3.18 cm；对应的最大塑性应变为0.267、0.252、0.048、0.008；安全系数分别为1.3、1.32、1.48、1.81。通过对3种支护方案的比较分析，对于填土边去皮采用预应力锚索支护是较优的支护方案。

关键词：边坡加固  重力式挡墙  抗滑桩  预应力锚索

中图分类号：TU43   文献标识码：A

Research on the Numerical Simulation of the Stability and Support Measures of

of the High-Fill Slope

LI Xionglian

（ Qinghai Coal Geology Bureau， Xining， Qinghai Province， 810012 China）

Abstract： Based on the reinforcement treatment project of the fill slope of the Yunyi Photovoltaic Power Station in Haidong City， this paper uses the strength reduction method to study three support schemes of the slope through ABAQUS software， and analyzes the stability of the slope of the fill slope under the support of the gravity retaining wall， slide-resistance pile and pre-stressed anchor cable. The results show that， after the slope is unsupported and uses the support of the gravity retaining wall， slide-resistance pile and pre-stressed anchor cable， the maximum horizontal displacement of the slope is 45.54 cm， 42.26 cm， 14.24 cm and 3.18 cm respectively， the corresponding maximum plastic strain is 0.267， 0.252，0.048， 0.008， and that the safety factors are 1.3， 1.32， 1.48， 1.81 respectively. Through the comparison and analysis of three support schemes， the use of pre-stressed anchor cable support for the peeling of the fill edge is the better support scheme.

Key Words： Slope reinforcement; Gravity retaining wall; Slide-resistance pile; Pre-stressed anchor cable

中图分类号：               文献标志码：

在实际工程建设中，常遇到人工填土、半填半挖人工边坡以及土体边坡，这些边坡一旦坡脚被扰动，很容易出现边坡失稳问题。对这种类型的边坡稳性的分析，很多学者进行了深入的研究，鄢好[1]采用随球模型对无限长土坡进行了稳定性研究与分析，李会[2]采用变分法对土坡的稳定性进行研究，李雨浓[3]采用拟动力法研究了地震效应下非均质土坡的三维稳定性问题，李见飞[4]和曾红艳[5]研究了抗滑桩加固土坡的支擋效果，王瑄[6]和魏博[7]对土坡分析别采用加固桩和强夯与碎石桩的支护效果也进行了详细的研究与分析。这些研究成果为土坡的稳定性分析与支护提供了很好的理论意义。

文章基于某一人工填土边坡的支挡加固处理，采用数值模拟方法，在分析其稳定性的基础上，分别对采用重力式挡墙、抗滑桩以及预应力锚索的支挡加固措施进行对比分析，确定合适的填土边坡的加固方案，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

拟建工程为云驿光伏电站填土边坡加固处理工程，工程位于青海省海东市乐都区雨润镇红坡村。该光伏电站于2017年建成运行，建设过程中由于半挖半填形成了黄土素填土边坡，填土高度8m左右。自电站使用以来由于站场内防排水系统不完善和站外无排水系统，历经数次暴水后边坡部分地段垮塌，地面出现沉降、裂缝，人工填土边坡处于不稳定状态。

根据勘探点揭露，填土边坡地基土由第四系①层素填土、②层黄土组成。地层岩性特征自上而下分述如下：①层素填土（Q4ml）：在场土内均有分布。呈黄褐色，松散～稍密，稍湿。以粉土为主，含少量植物根茎，局部含块砾石，具湿陷性，中压缩性，层底厚度6.50～8.30 m，层底高程：2 323.79～2 321.38 m。②层黄土（Q3eol）：该层全场分布，浅黄褐色，稍密～中密，稍湿，以粉土为主，粉砂质含量高，孔隙发育，摇振反应中等，无光泽，干强度低，韧性低，具湿陷性，中压缩性，场地内层厚大于1 m。

2 计算模型的建立

该边坡为土质边坡，为简化计算，对实际工程中的边坡模型进行简化，选取有代表性的断面建立二维计算模型进行模拟计算。假设边坡岩土体连续均匀分布，边坡土体采用摩尔-库伦本构模型。该边坡模型尺寸长38.3 m，高18.3 m，所选断面坡高8.3 m，坡度1：1。模型底部采用全约束，模型两侧约束水平方向的变形。数值模拟的模型尺寸如图1 所示，图中数值单位为m。

3 初始边坡状态分析

利用强度折减法原理，将内摩擦角和粘聚力增设场变量，进行边坡稳定分析[8]：

（1）

（2）

经计算，边坡初始状态边坡塑性区云图如图2所示，原始边坡具有明显的滑动面，此时边坡的最大塑性应变值为0.267。边坡水平位移最大变形发生在边坡底部素填土与黄土交界处，为45.54 cm。有限元软件进行计算中断后的场变量系数即为边坡稳定性系数，边坡稳定性系数为1.3[9]。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）边坡工程安全等级分类，边坡背靠光伏电站，即为一级边坡，安全系数为1.35，因此可以推断边坡处于不稳定的状态，需要对边坡进行加固。

图2  初始状态边坡塑性区云图

图3  初始状态边坡水平位移云图

4 加固方案分析

对于常用的边坡加固方案，一般有挡墙加固、抗滑桩加固、预应力锚索加固，文章将在此基础上论述3种加固方法，并进行比较分析。

4.1 重力式挡土墙支护

重力式挡土墙是通过挡土墙自身重力来承受土压力作用，以保证边坡的稳定性。此次模拟选取C30混凝土整体浇灌而成，挡墙高3 m，顶宽1 m，底宽3 m，埋深1.5 m，模型参数见表1。

经过计算，如图4所示最大塑性变形已经由0.267降低为0.252，塑性变形区减小但滑动面依然较为明显，水平位移由45.54 cm降为42.26 cm，稳定性系数为1.32，整体稳定性有所提高，但仍不满足一级边坡所需的稳定性系数。

4.2 抗滑桩支护

抗滑桩是利用桩体插入滑动面以下的稳定地层对桩的抗力从而平衡滑动体的推力，以此保证边坡的稳定性。本次模拟选取单排抗滑桩，桩宽0.6 m，桩长10.6 m，埋深为10 m，桩体采用线弹性模型，模型材料见表1。

经过计算，如图6所示，相比于边坡初始状态和重力挡土墙支护，边坡的塑性区面积明显减少，此时的边坡最大塑性变形为0.048。如图7所示最大水平位移出现在抗滑桩顶部，为14.24 cm，桩身发生弯曲变形，抗滑桩在滑动面推力作用下表现为弹性变形，这说明抗滑桩发挥了其抗弯作用阻止土体下滑。稳定性系数经过计算为1.48，符合一级边坡所需稳定性系数。

4.3 预应力锚索支护

边坡采用预应力锚索框架梁进行加固，锚索规格为3sφ15.2，锚索材料为高强度、低松弛预应力钢绞线，标准强度1 860 MPa。锚索孔设计孔径为150 mm，锚索孔深15～20 m，其中锚固段长10～15 m，锚孔下倾角为25°，锁定张拉力均为150 kN。框架梁体混凝土强度等级C25，横梁与纵梁截面尺寸高为300 mm，宽300 mm，横梁与纵梁交叉处框架设预应力锚索。采用降温法模拟预应力[10]，膨胀系数为0.000 577。

经过计算，塑性区云图已无滑动面，如图8所示，边坡的最大塑性应变位于坡脚处，应变值为 0.008，稳定性系数为1.81。水平位移云图如图9所示，边坡最大水平位移位于坡顶，为3.177 cm。与重力式挡土墙和抗滑桩支护方案相比，水平位移和塑性变形明显减小，未出现明显的滑动面，且安全系数明显提高。

现将初始边坡状态和3种支护方案的稳定性系数和最大水平位移绘制成图，如图10所示，可明显看出初始边坡状态、重力式挡土墙支护，抗滑桩支护和预应力锚索支护的最大水平位移逐渐减小，稳定性系数逐渐上升，且预应力锚索支护的稳定性系数最高，为这3种加固方案的最佳选择。

5 结论

文章通过建立二维数值模型，利用ABAQUS软件通过强度折减法对初始边坡状态、重力式挡土墙支护和抗滑桩支护，预应力锚索支护进行稳定性分析计算，通过对模拟计算的结果分析可取得以下结论。

（1）初始边坡的具有明显的滑动面，塑性区面积较大，最大塑性变形为0.267，位于坡脚素填土与黄土交界处。重力式挡土墙支护，抗滑桩支护的滑动面虽然减小，但仍然存在，预应力锚索支护的边坡没有明显滑动面，塑性变形区大大减小。

（2）初始边坡状态的最大水平位移为45.54 cm，稳定性系数为1.3，在尝试3种支护方案后，预应力锚索支护下的边坡最大水平位移减少为3.18 cm，稳定性系数增加为1.81。因此，预应力锚索支护为最佳加固方案。

参考文献[1] 鄢好.基于橢球模型的土坡稳定性非概率可靠度分析[D].成都：成都理工大学，2020