陈燕青 甘 涛 刘 波

(1.广州大学土木工程学院防灾研究中心 广东 广州 510000;2.广州南洋理工职业学院 广东 广州 510006)

基于边坡变形测量的数值模拟与稳定性分析

陈燕青1,2甘 涛1,2刘 波1,2

(1.广州大学土木工程学院防灾研究中心 广东 广州 510000;2.广州南洋理工职业学院 广东 广州 510006)

随着我国山区公路工程的迅速发展，纵横交错的新交通网的建设，低级公路的拓宽改建升级涉及大量的开挖路堑边坡工程。为确保边坡的安全，边坡的监测方法与稳定性分析正逐年受到重视。文章结合佛山广明高速K66 010～K66 460段边坡工程，建立了路堑边坡在锚杆支护下的二维有限元模型，探讨了边坡支护措施中锚杆损伤程度对边坡的稳定性影响，并根据计算结果与监测数据分析提出边坡位移预警值、报警值。

路堑边坡；锚杆支护；数值模拟；预警值

引言

在地质灾害防治领域中，国际上将地震、滑坡、泥石流并列为全球性三大地质灾害，可见滑坡作为地质灾害的一种，常常威胁着人类的生存与国家的发展。影响边坡稳定的因素中防护与加固工程某种情况下对滑坡产生起到至关重要的作用。因此防护预加固工程对边坡的安全性的研究显得尤为重要。这其中锚杆在加固工程起到决定性的作用。目前，压力珠江加固手段及框架锚固结构越来越多地用于路堑边坡的防治，它能最大限度的保持岩体的完整性、稳定性，能有效地控制岩体变形、位移和裂缝的发展，充分发挥岩体自身的支撑作用。滑坡的边坡工程的稳定性分析历来是工程界和学术界极为关注的研究课题,而边坡稳定性分析和评价一直是边坡工程的核心问题。

一、工程概况及稳定性分析过程

(一)工程概况

地形：丘陵，地势起伏较大，地面高程18.0～112.0m

地震：根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),勘察区50年超越概率10%地震动峰值加速度系数为0.05g,地震反应谱特征周期为0.35s，相应的地震基本烈度为6度。

K66+230-450左、K66+010-K66+460右侧地面线较陡，且地质不佳，设计采用预应力锚索加多级桩板式挡土墙进行防护。

桩板墙桩长度12-20m不等，根据地质情况分段采用不同截面尺寸的桩。K66+010-K66+190右侧第1级桩采用1.5m×2m矩形断面，第2级桩采用2m×3m矩形断面；K66+196-K66+244右侧桩采用1.5m×2m矩形断面；K66+244-K66+310右侧第1排桩均采用2m×3m矩形断面，第2排桩均采用1.5m×2m矩形断面，K66+316-K66+454右侧第1、2级桩截面尺寸应为2m×3m矩形断面。；K66+232-K66+448左侧第1级桩采用2m×3m矩形断面，第2级桩采用2m×3m矩形断面。地面以上部分在矩形截面两侧各加厚0.5m、宽0.65m作为翼缘板，桩采用现浇C25。两桩之间设挡土板，挡土板为预制C30，桩中到中间距6m。

桩顶以下，距桩顶3m处设预应力索1根，预应力锚索采用4Φj15.24高强低松弛钢绞线。每根锚索设计张拉力300kN，采用XM15-4型锚具。预应力锚索施工时超张拉力值为设计值的1.0-1.1倍。预应力锚索施工前必须进行现场抗拔试验，通过试验指导施工。

锚索钻孔应采用风动干钻施工法，不能采用水钻，钻孔直径、深度等均应满足设计要求，所钻锚孔应保持孔内清洁，孔壁无污染物，以确保水泥浆体与岩体的粘结强度。如遇地层松散、破碎时，应采用跟套管的钻进技术，以使钻孔完整不塌。所使用的锚索应做好防腐处理，并在运输及下锚过程中不得损伤防护措施。

桩长12m时，要求锚固段长度不小于6m；桩长20m时，要求锚固段长度不小于10m。

(二)边坡稳定性分析方法。20世纪 70 年代末，英国科学家 Zienkiewicz 提出在有限元中采用增加外荷载或降低岩土强度的方法来计算岩土工程的安全系数，当采用降低强度的方法时，就是有限元强度折减法。有限元强度折减法是通过不断降低边坡岩土体抗剪切强度参数直至达到极限破坏状态为止，程序自动根据弹塑性有限元强度计算结果得到边坡滑动破坏面，同时得到边坡的强度储备安全系数。有限元强度折减法全面满足了静力许可、应变相容，以及土体的非线性应力-应变关系，具有如下: 在求解安全系数时不需要假定滑动面的形状和位置而是由程序自动求出滑动面; 可以根据岩土介质与各种支挡结构的共同作用计算各种支挡结构的内力; 可求出各种支挡结构作用下边坡的新滑面与稳定安全系数; 能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算不受边坡几何形状、边界条件以及材料的不均匀性限制; 能够模拟边坡的渐进破坏过程，并提供应力、应变和位移等力与变形的全部信息。

在非线性边坡稳定性中，通过下式对折减岩土体的黏聚力和摩擦角进行折减:

c′=c/F

(1)

φ′=arctan(tanφ/F)

(2)

式中: F为折减系数，即可能的安全系数; c，φ，c′，φ′分别为折减前、后的黏聚力和内摩擦角。

本文将采用有限元软件建立模型，利用有限元强度折减法进行模拟分析，计算路堑边坡在不同损伤程度下的安全系数，验证边坡稳定性，进而推算出边坡的预警值与报警值，同时对比实际测量数据对富湾边坡的稳定状态进行分析。

(三)数值模拟。根据已有的工程概况数据我们建立相关的有限元分析模型，模型的参数如下表1。

表1 模型参数

在稳定性分析时，为了方便分析在建立模型时通常经过以下几种假设：不考虑土体接触面；假设土层是均匀的，将土层理想化了；不考虑施工附加的荷载对土体表面产生的应力；单元类型为平面应变，采用D-P屈服准则。经过理想假设后使得边坡稳定性分析更为快速便捷。模型尺寸如下图1。

模型结点数为13146个，单元数为6570个，如下图2。

图1 边坡模型尺寸

图2 边坡有限元模型

根据《建筑边坡工程技术规范》，在边坡工程建设和监测期间，应当及时报告可能出现灾害情况，并采取相对应的应急解救措施。本工程边坡高度为22.5m，其监测报警值为225000/500mm和20mm的较小值，即报警值为20mm。

根据模型计算当边坡挡墙和锚杆处于正常情况下时的边坡水平方向变形和应力情况，我们假定锚杆加固在各种因素中对边坡的稳定性起到主要作用。在实际监测过程中，我们发现锚杆的部位有渗水现象，故而将锚杆的损伤作为模拟中主要影响稳定性因素，设定锚杆在模拟中截面积的变化来表示边坡的损伤程度，得出以下结果。如图3所示。

图3 结点位移

从计算结果可以看出当损伤不断增大时，各结点的水平位移呈现出增大的趋势，并且可以看出损伤在0-80%结点水平位移增长速度比较慢，损伤大于80%时增长速度明显增大。同时，不同位置的结点它们的增长速度也不一样，从上图4-20可以看出106结点的增长速度大于2结点的增长速度；2结点的增长速度大于13007结点的增长速度；13007结点的增长速度大于2935结点的增长速度。

二、监测结果分析

实际检测结果通过数据处理得出，对监测数据求取平均结果(消除测量点受行车、温度等不定因素的影响)如下图实际各测点位移的平均值基本呈直线状，对比模拟结果，此时的边坡损伤较小，边坡处于稳定状态。

图4 测点1平均值

图5 测点2平均值

图6 测点3平均值

图7 测点4平均值

图8 测点5平均值

三、结论

(1)滑坡是一个逐渐发展的过程，并且是由慢到快，越到后面发展越快，这对边坡的监测不利；等到边坡位移达到国家规定的20mm，边坡基本已经破坏，为了使边坡能够保持在稳定状态，在锚杆的损伤程度为50%时，设定提醒值，表明边坡锚杆已损伤了50%要开始对其重视；

(2)在锚杆的损伤程度为80%时，设定报警值，从上面的模拟计算中可以得此时结点106的水平位移为8.3mm，结点2的水平位移为3.5mm，结点13007的水平位移为5.4mm，结点2935的水平位移为1.5mm。当实时监测数据出点8.3mm时，系统自动报警，接到报警后要对边坡进行详细的检查，并对边坡进行加固，防止边坡的破坏。

(3)通过微动测量仪的实时监测，可以对边坡的位移进行实时的监测，当监测数据出现设定的报警值时，需要对边坡进行详细的勘查，并对其进行加固。

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陈燕青(1992-)，男，硕士研究生。