基于FLAC3D的西南地区顺层岩质边坡支护效果研究

杨纬卿，程芸，张雄云，段志超

（1．云南建投第一勘察设计有限公司，云南 昆明 650032；2．云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021）

0 引言

为了助力成渝双城经济圈的快速发展，成渝地区将建设成为轨道上的双城经济圈，未来几年将新建多条铁路线路，建设由高速铁路、城际铁路等线路组成的多层次轨道交通网络体系。但成渝地区地形起伏大，多山地丘陵，在成渝地区修建交通设施不可避免要穿过山地，也不可避免地要进行大量深路堑边坡的开挖。成渝地区分布有大量的顺层岩质边坡，成渝地区的山体构造因其独特的历史成因及环境气候，使得山体构造十分复杂，容易发生边坡垮塌或危岩落石的病害，严重影响行车安全。故在对成渝地区的顺层岩质边坡进行支护时，须对支护的效果进行研究，以期后续在成渝地区进行边坡支护时能够提供参考[1-3]。

目前，对于岩质边坡支护方式主要有抗滑桩[4]、锚杆框架梁[5]、锚索框架梁及排桩等[6-7]，对支护效果的评价主要采用位移控制[8]、应力控制[9]，即要求顺层岩质边坡在支护后不能产生过大位移，也不能使支挡结构产生破坏。当然在保证行车安全的基础上，还会从工程造价的角度进行支护方式的优化，以期减少材料使用并减少工程投资。

传统的支护方式仅是采用单一的支护方式，很难发挥不同支护方式的优点，单一支护方式的缺点被放大，为了使边坡支护能够更加科学、更加合理，复合支护结构因其能够发挥不同支护方式的优点而受到了越来越多的关注。为了探究复合支护方式对顺层岩质边坡支护效果的研究，本文以成渝地区某工点顺层岩质边坡为研究对象，采用FLAC3D 进行建模，研究锚杆框架梁及抗滑桩复合支护方式对顺层岩质边坡支护效果的研究，并在次基础上对支护结构进行优化设计，以明确锚杆框架梁及抗滑桩复合支护方式对成渝地区顺层岩质边坡支护效果的影响，并对支护结构进行优化设计。

1 工程概况

所研究边坡位于某计划修建高速公路的南侧，从现在地面标高算起到设计标高，地面最大高差达到126m，由于采用开挖的方式进行施工，开挖后边坡自稳性较差。

边坡从表层至底层，地层岩性分别为：杂填土，厚度1～3m，结构松散破碎；粉土，主要为黄色或者灰色粘土，遇水后呈可塑或者软塑状；红层砂岩，主要呈粉红色，节理裂隙发育，局部呈现碎散状；红层页岩，红色，节理面光滑，含有大量的有机质，常与砂岩出现互层现象；红层泥岩，砖红色，有机质含量高，其中夹杂有少量碳质砂岩及煤岩碎块。

2 模型建立

以地勘得到的岩层变化为依据，采用FLAC3D 建立边坡模型，如图1 所示，岩体参数取值如表1 所示。模型建立结束后，在自重作用下应力平衡，保留平衡后的应力状态进行后续计算研究。

图1 研究截面

表1 岩体力学参数取值

采用巴西劈裂试验及直剪试验对岩体的力学参数进行测量，模型参数根据上述试验进行取值。

通过室内试验研究确定地层岩性的力学参数，不同地层的力学参数如表1所示。

图2 边坡支护方案

锚杆设计参数及抗滑桩设计参数以设计资料为依据，锚杆设计参数取值如表2 所示，抗滑桩设计参数如表3所示。

表2 锚杆计算参数取值

表3 抗滑桩计算取值

3 边坡支护效果研究

3.1 桩身长度对支护效果的影响

为了研究桩身长度对水平位移的影响规律，在保持桩身截面尺寸的情况下，通过改变抗滑桩长度进行研究，桩身长度原设计为25m，对桩身长度进行缩减后研究其水平位移的变化规律。如图3所示，不同桩长的抗滑桩，其桩身水平位移随着桩身长度的变化并没有出现太大差异，在嵌固段范围内，桩身既有挤压边坡的位移，也有背离边坡的位移，且随着桩长增加，水平位移快速的由挤压边坡转为背离边坡。在出现断裂带的位置，水平位移出现突变，出现突变的原因可能是由于断裂带岩体破碎，对抗滑桩的挤压作用减弱。故抗滑桩的水平位移会在岩层断裂带的位置出现突变，当抗滑桩的长度超过边坡时，由于没有了边坡地挤压，抗滑桩的水平位移会先快速下降，而后保持不变。

图3 桩身水平位移随着桩身长度变化图

如图4 所示，抗滑桩稳定系数随着桩身长度的增加逐渐增加，存在一个临界桩身长度，当抗滑桩身长度小于临界长度时，抗滑桩稳定系数随着桩身长度的减小快速减小，当桩身长度大于临界桩身长度时，抗滑桩稳定系数随着桩身长度的增加缓慢增加。由此可知，当桩身长度大于临界桩身长度时，此时再增加桩身长度，并不能显著提高支护效果，反而会增加工程量，增加工程建设的成本。

图4 稳定系数随桩身长度变化

在第二级支护中，抗滑原设计为20m，为了研究抗滑桩身长度对水平位移的影响规律，对桩身长度缩减后进行研究。如图2 所示，当锚杆框架支护和抗滑桩支护离得较近时，抗滑桩的桩身位移全部为正，及边坡对抗滑桩全部产生挤压，随着桩身长度的增加，桩身位移随桩身长度的增加先增加后减小。桩身水平位移增加是由于边坡对抗滑桩有挤压作用，桩身水平位移随着桩身长度的增加逐渐减小是因为锚杆框架梁对边坡进行锚拉后，边坡的变形逐渐由锚杆框架支护结构进行承担，导致边坡对抗滑桩的挤压作用逐渐减弱，故抗滑桩水平位移随着桩身长度的增加逐渐减小。且由图5还可知，当桩身长度小于18m时，桩身水平位移出现了明显增大，当桩身长度不小于18m 时，桩身水平位移基本保持不变。

图5 第二级支护抗滑桩水平位移随着桩身长度变化图

由图6 可知，随着桩身长度的增加，稳定系也逐渐增加，同样出现临界长度，在桩身长度小于临界长度时，稳定系数随着桩身长度的减小迅速减小，当桩身长度大于临界长度时，稳定系数随桩身长度增加缓慢。

图6 第二级支护稳定系数随桩身长度变化图

综合图5和图6可知，当桩长小于临界长度时，抗滑桩的水平位移显著增大，稳定系数显著减小；当桩长大于临界长度时，抗滑桩的水平位移基本保持不变，稳定系数也增长缓慢，故可以选取临界长度作为抗滑桩的长度。

3.2 锚固角度对边坡的影响

为了探究锚固角度对顺层岩质边坡的影响，在保持锚固长度不变的情况下通过改变锚固角度进行研究。由图7 可知，随着锚固角度的增大，边坡的最大水平位移在逐渐减小，这主要是由于锚杆嵌入角度越大，对边坡的拖拽作用越强，对边坡的支护作用就越明显，故稳定系数随着锚固角度的增加逐渐减小。

图7 边坡最大水平位移随锚固角度变化图

由图8 可知，同样存在一个临界锚固长度，故在采用锚杆框架梁对顺层岩质边坡进行支护时，可以选取临界锚固长度进行支护设计。

图8 最大水平位移随着锚固长度变化图

4 结论

本文通过FLAC3D 对顺层岩质边坡进行建模，对采用锚杆框架梁及抗滑桩复合支护的顺层岩质边坡进行了研究，分析了桩身长度、锚固角度及锚固长度对边坡位移及稳定性的影响，主要得到了以下结论：

①当桩长小于临界长度时，抗滑桩的水平位移显著增大，稳定系数显著减小，当桩长大于临界长度时，抗滑桩的水平位移基本保持不变，稳定系数也增长缓慢，故采用抗滑桩对顺层岩质边坡进行支护时，可以选取临界长度作为抗滑桩的长度；

②当锚杆框架支护和抗滑桩支护离得较近时，由于锚杆框架梁对边坡进行锚拉后，边坡的变形逐渐由锚杆框架支护结构进行承担，导致边坡对抗滑桩的挤压作用逐渐减弱，故抗滑桩末端桩身水平位移随着桩身长度的增加逐渐减小；

③当锚杆框架梁的锚固角度小于临界锚固角度时，边坡位移随着锚固角度减小迅速减小，当锚杆框架梁的锚固角度大于临界锚固角度时，边坡位移减小并不显著。