高边坡治理实体有限元数值模拟及方案比选

尹亮洲，汤祖平

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014；2.中交中南工程局有限公司，湖南长沙 410002）

0 引言

对于土质边坡高度大于20 m、小于100 m或岩质边坡高度大于30 m、小于100 m 的边坡，其边坡高度因素会对边坡稳定性产生重要影响，边坡防护加固工程需进行专项设计，这些边坡工程被称为高边坡工程。高边坡治理在公路、市政及房建工程中广泛存在，边坡稳定性一旦遭到破坏，将造成巨大的生命和财产损失。因此，高边坡治理成为影响工程顺利开展的重要环节。由于项目存在高风险性，设计时应对高边坡治理的多个方案进行综合论证。国内学者针对高边坡治理进行了大量研究。王恭先［1］对滑坡性质及治理方案进行深入研究，提出确定防治方案应考虑的4 个因素和不同类型滑坡的治理方案，为预防及处理高边坡和路堤填方引起的“工程滑坡”提供了参考。石广斌等［2］根据边坡崩塌后揭露的地质构造特性，分析高边坡的崩塌机理，并在此基础上拟定加固方案，用极限平衡法对锚索锚固力进行优化，用二维接触非线性有限元法分析边坡岩体与混凝土框架之间的相互作用，不仅提高了边坡岩体的安全度，而且获得了良好的经济效益。

目前，针对边坡治理大多采用二维有限元分析法，对于场地及边坡形式简单的施工场景，尚能较好地满足工程安全性的要求。但是，当场地、边坡形式及荷载的空间关系相对复杂时，二维有限元分析法则存在局限性，难以真实地模拟现场实际情况。本文介绍的工程项目的岩质边坡高度为30 m，在其上修建12.8 m 的填土边坡及支挡结构，由于周边有道路及学生宿舍，空间关系复杂，安全性要求较高。为更准确地模拟该高边坡工程的治理方案，本文建立实体有限元模型，分析各方案的安全性及经济性，从而确定最合适的方案，并通过监测结果验证有限元模拟的正确性。

1 工程概况及治理方案设计

本工程位于云南昭通某中学南侧场地（如图1所示），场地东南角分别为2 级高边坡及深沟谷，宿舍（5 层）紧邻第二级边坡，最短平面距离约8 m，因此工程对边坡稳定性及位移的要求非常高。第一级边坡坡顶标高为1 742.00 m，第二级边坡坡顶标高为1 754.80 m。在第一级边坡上进行2 次填土，形成2级平台，平台1 的标高为1 746.00 m，平台2 的标高为1 754.00 m，在平台2 上布置8.0 m 宽的道路。抗滑桩布置如图2 所示（下文中的方案2）：第一排桩桩号为1～10#，桩径为1.4 m，桩长10.35 m，间距为2.0 m；第二排桩桩号为11～19#，桩径为1.4 m，桩长5.15 m，间距为2.0 m；第三排桩桩号为20～29#，桩径为1.0 m，桩长12.2 m，间距为2.0 m。第一排桩与第二排桩的间距为3.2 m，第二排桩与第三排桩的间距为2.0 m，各排桩之间呈梅花形布置。

图1 高边坡治理施工方案示意图（单位：m）

图2 宿舍、道路及桩位平面关系

由于支挡结构位于填土1上，天然地基承载力较低，下面土层为强风化玄武岩及中风化玄武岩，填土地基上存在车道荷载P1，考虑宿舍基底压力P0对支挡结构的影响，经综合分析，拟采用自重较轻的扶壁式挡墙及桩板墙进行支护，初步拟定以下3个高边坡治理方案。

方案1：填土到平台1 标高，施工第一、第二排桩基础，然后浇筑上部扶壁式挡墙，挡墙扶臂厚0.4 m，悬臂厚0.4 m，底板厚0.5 m，最终填土到平台2 标高。桩及扶壁式挡墙均采用C30混凝土。

方案2：填土到平台1 标高，施工第一、第二、第三排桩基础，然后浇筑上部扶壁式挡墙，挡墙扶臂厚0.4 m，悬臂厚0.4 m，底板厚0.5 m，最终填土到平台2标高。桩及扶壁式挡墙均采用C30混凝土。

方案3：填土到平台1 标高后继续填土到平台2标高，施工第一、第二、第三排桩基础，然后施工顶板及侧板，顶板厚1 m，侧板厚0.2 m。桩及板均采用C30混凝土。

下文通过实体有限元模型对3个方案进行分析，从内力、位移、稳定性及经济性等方面对3 个方案进行比选。

2 实体有限元数值模拟

根据上文各支护方案，采用MIDAS/GTS 有限元软件对高边坡治理进行有限元模拟。其中，填土、强分化玄武岩及中风化玄武岩均采用实体单元。方案1、方案2 中的扶臂挡土墙的扶臂、侧板、底板及方案3中的顶板、侧板均采用板单元，桩基础采用梁单元。实体单元、板单元及梁单元之间彼此共节点耦合。5层宿舍的基底压力P0为60 kPa［3］，车道为8 m 宽的双车道，车道荷载P1为2.625 kPa［4］，分别以面荷载形式作用在实际实体单元表面上。实体有限元模型如图3所示；各方案结构部分如图4所示。

图3 三维实体有限元模型

图4 3个高边坡治理方案的结构图

土体本构模型采用Mohr-Coulomb 模型。根据岩土工程地质勘察资料，结合周边桩基施工监测到的桩身变形结果，对土体参数进行多次试算与反演，确定符合本工程的合理的主要岩土参数（见表1）。

表1 岩土力学参数表

3 方案计算结果对比

3.1 墙体位移

经过计算，方案1的墙体最大位移为墙底部水平向位移，大小为1.47 cm。方案2 的墙体最大位移为墙顶部水平向位移，大小为1.53 cm。方案3 的墙体最大位移为侧板顶部水平向位移，大小为4.00 cm。分析表明：3 个方案在平台1 以下入土部分桩体的水平位移均较小，位移主要由上部结构的刚度决定。方案1、方案2 的上部扶壁式挡土墙结构整体刚度比方案3 的抗滑桩大，前二者位移相对较小。

3.2 墙体内力

各方案墙体弯矩如图5所示。方案1、方案2的最大弯矩发生在墙趾、墙踵与扶臂交汇处，大小分别为-726～358 kN·m、-294～123 kN·m。方案3的最大弯矩发生在顶板中部和角部，大小为-892～275 kN·m。分析表明，方案1 的最大墙身弯矩约为方案2 的2.5倍。方案3虽然桩数较多，但是整体刚度小，顶板弯矩较大，最大弯矩约为方案2 的3 倍。各方案墙体剪力结果表明：方案1、方案2 的最大剪力发生在墙踵与扶臂交汇处，大小分别为-1 178～1 201 kN·m、-838～870 kN·m。方案3 中除个别边角处有应力集中外，剪力比较平均，大小为-781～851 kN。分析表明：方案1的最大墙身剪力约为方案2的1.4倍，方案3与方案2的剪力大小相当。

图5 3个高边坡治理方案的墙体弯矩图

3.3 桩体内力

对3个方案的第一、第二排桩各方案的桩身内力及桩顶位移进行分析，得出以下结论：方案1 承受较大的剪力和弯矩；方案2 承受弯矩明显小于方案1；方案3 承受的内力较小，但产生的位移较大。对3 个方案第三排桩各方案的桩身内力及桩顶位移进行分析，得出以下结论：方案2承受较大的内力，但位移较小；方案3 承受的内力较小，但产生的位移较大（见表2）。

表2 3个高边坡治理方案的对比结果（以方案2为参照）

4 方案选择

表2 是以方案2 为参照的对比数据与结果，表2中的S、N、V、M分别表示桩顶位移、桩轴力、桩剪力、桩弯矩，字母的数字编号表示桩排号，例如S1表示第一排桩的桩顶位移。由上文方案计算结果及表2对比结果可知，方案3的墙顶位移为4 cm，变形过大，不满足工程要求，不予考虑。方案1的桩身内力偏大，对桩身承载力要求高，但桩数量少，可节约造价及工期。方案2 的位移较小，同时桩身内力更均匀，桩数有所增加，但结构更安全，经济性满足要求，经反复论证，作为最终方案。

5 模拟数值与监测数据对比

施工过程中对挡土墙顶水平及竖向位移进行监测，监测点为A、B、C 3 个点，分别位于平面上10#、5#、1#桩对应的墙顶位置。将监测值与方案2 的数值计算理论值进行对比，结果如图6 所示。由图6可知，墙顶竖向位移中间大、两端小。由于荷载不对称，A 点水平位移大于其余2 点。监测值与理论值发展趋势一致，但水平位移和竖向位移均比理论值小。

图6 位移理论值与实测值对比

6 结论

本文以某边坡治理为研究案例，结合项目实际情况，提出3种边坡治理方案。经过对比分析，得到如下结论：①墙顶位移主要由墙身刚度决定，不同数量桩基对水平位移影响不大。②排桩方案由于自身刚度小，在高边坡情况下容易产生过大变形，本工程高边坡临近学生宿舍，对变形控制要求高，故此方案不适用于本工程。③扶壁式挡墙整体刚度大，自重轻，既能减少墙顶位移，又不会使桩基产生过大的内力。④方案2 上部结构采用扶臂式挡墙，基础采用3 排桩基础，内力和位移都比较小，抗倾覆稳定性较好，经济安全，因此作为最终方案。