童艷光，蔡增蛟，張 堃，梁松鴻，劉文召，黎森宇

（1、廣州環(huán)投花城環(huán)保能源有限公司 廣州 510830；2、中國建筑一局（集團）有限公司 北京 100161；3、廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

隨著時代的高速發(fā)展，城市的不斷擴張，交通道路設(shè)施的建設(shè)不斷從平地向地形復(fù)雜的山林地區(qū)修建，形成大量的高填方邊坡［1～3］。但高填方工程設(shè)計和施工要求相對嚴格，時有發(fā)生的高填方邊坡滑坡災(zāi)害，使得高填方邊坡研究顯得很有必要［4］。關(guān)于高填方邊坡穩(wěn)定性問題，諸多學(xué)者做了大量的研究，如徐坤等人［5］采用多種極限平衡法對涉及填料的物理力學(xué)特性、填筑過程等復(fù)雜因素的高填方邊坡進行穩(wěn)定性分析；楊大志等人［6］用有限元分析土工格室加筋在高填方邊坡的應(yīng)用；侯俊偉等人［7］用有限元和大型直剪試驗研究分析高填方邊坡變形失穩(wěn)機制；葉帥華等人［8］針對黃土高填方邊坡運用有限元探究其影響因素及變形規(guī)律。然而如今關(guān)于高填方邊坡穩(wěn)定性的研究很少會側(cè)重對于土石混合料加筋土、抗滑樁錨索作用以及土石混合料浸水飽和的研究。因為若由于地形復(fù)雜和地質(zhì)條件的限制，會使得許多高填方邊坡無法進行自然放坡［9］，此時土石混合料加筋土邊坡可以發(fā)揮其因地制宜、減少放坡率、提高邊坡整體穩(wěn)定性優(yōu)等點［10］，滿足在復(fù)雜地形地質(zhì)下的工程要求；若高邊坡下方土體性質(zhì)較好，在抗滑樁處設(shè)置錨索也能對高填方邊坡穩(wěn)定性起到一定作用［11］；若在降雨工況下，浸水使土石混合料飽和會使土體強度降低，從而使邊坡穩(wěn)定性下降［12］。因此，研究土石混合料間的土工格柵、抗滑樁的錨索和浸水飽和的土石混合料對高填方邊坡穩(wěn)定性的影響也是一個值得關(guān)注的方向。

本文以廣州市某熱力電廠工程為項目依托，通過有限元數(shù)值模擬，研究分析在此工程中，土工格柵、抗滑樁的錨索與土石混合料浸水飽和狀態(tài)下對土石混合料高填方邊坡穩(wěn)定性的影響。文中采用專業(yè)巖土工程有限元軟件Midas GTS，對工程中的邊坡進行數(shù)值模擬［13］，通過工程資料確定邊坡有限元模型的計算參數(shù)，通過控制變量的方法去探究土工格柵、抗滑樁的錨索以及土石混合料在浸水飽和狀態(tài)下的對邊坡穩(wěn)定性的影響，為以后相關(guān)地質(zhì)條件開展的邊坡工程提供參考。

1 工程概況

廣州市某熱力電廠土石混合料高填方邊坡工程位于廣州市花都區(qū)，距S114 省道直線距離約2 km，在一期工程的南側(cè)和北側(cè)進行擴建，具體位置如圖1 所示。高填方邊坡場地內(nèi)廣泛分布人工填土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化砂巖和泥巖，巖石完整程度大多為極破碎，總體而言，場地內(nèi)巖土性能情況較為惡劣，本文模型的建立選取高填方邊坡P17-P17 剖面一處，具體邊坡剖面及土層分布如圖2所示，其中高架橋為未建部分。

圖1 土石混合料高填方邊坡工程具體位置Fig.1 Specific Location of Soil-rock Mixture High-filling Slope Engineering

圖2 邊坡剖面及其土層分布Fig.2 Slope Profile and Soil Layer Distribution （mm）

2 三維有限元計算模型

2.1 模型建立

為了模擬真實的邊坡狀態(tài)，分析其穩(wěn)定性，根據(jù)工程實際，建立了如圖3所示的整體三維有限元模型，模型大小取109 m×60 m×52 m（長×寬×高），邊坡坡度為1∶1，充足考慮了邊界效應(yīng)所帶來的影響因此在邊坡的右側(cè)延伸了一定的距離。錨索如工程實際設(shè)置在抗滑樁后且嵌入強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖層，如圖4所示；土工格柵在土石混合料之間分層設(shè)置。模型的邊界條件：底部為固定約束邊界，模型四周施加法向約束，其余為自由邊界。

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

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

有限元數(shù)值模擬計算中，錨索的模擬采用1D 單元植入式桁架去模擬；土工格柵的模擬采用2D 單元土工格柵（2D）去模擬；巖土體采用3D 單元實體去模擬。錨索、抗滑樁及土工格柵等均采用線彈性本構(gòu)模型，巖土體采用彈塑性莫爾-庫倫本構(gòu)模型。土工格柵在工作狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系位于彈性范圍內(nèi)，根據(jù)土工格柵的拉伸試驗結(jié)果［14］，可確定其計算參數(shù)。其中，土石混合料的抗剪強度指標由現(xiàn)場大型直剪試驗確定［15］，其試驗結(jié)果如圖5 所示，根據(jù)抗剪強度包線，可得土石混合料在天然狀態(tài)下以及浸水飽和狀態(tài)下的強度參數(shù)，其余巖土體強度參數(shù)取值均參照項目工程所提供的勘探報告。具體有限元模型中各種材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Materials in the Finite Element Model

圖5 現(xiàn)場大型直剪試驗土石混合料抗剪強度包線［15］Fig.5 Shear Strength Envelope of Soil-rock Mixture in Large-scale Direct Shear Test on Site

2.2 有限元強度折減法

邊坡穩(wěn)定性是指抗滑力與滑動力的兩者之比［16］。Midas GTS 的邊坡穩(wěn)定分析采用了基于有限單元法的強度折減法［17］。有限元強度折減法（SRM）用于計算邊坡在事故點或失穩(wěn)點的安全系數(shù)，其原理是：在外荷載保持不變的情況下，不斷對邊坡抗剪強度參數(shù)c，φ進行折減，使強度不斷調(diào)整，直到系統(tǒng)達到不穩(wěn)定狀態(tài)時，有限元計算將不收斂，即邊坡處于臨界平衡狀態(tài)，此時折減系數(shù)Fs即邊坡安全系數(shù)［18］。強度折減法僅用于安全系數(shù)大于1 的邊坡，但是其不需要作假定，分析環(huán)境更理想，誤差較?。?9］。安全系數(shù)計算具體公式如下：

式中：Fs為強度折減系數(shù)；c′為折減之后的粘聚力；φ′為折減之后的內(nèi)摩擦角；τ′為折減之后的抗剪強度。

2.3 有限元模型的變量

為研究分析在此邊坡中，土工格柵、抗滑樁的錨索和土石混合料在浸水飽和狀態(tài)下對土石混合料高填方邊坡穩(wěn)定性的影響。本次有限元模擬設(shè)置了3個變量：①天然狀態(tài)下還是浸水飽和狀態(tài)下的土石混合料；②有無設(shè)置土工格柵；③有無設(shè)置抗滑樁的錨索。為探究三者的關(guān)系，分別模擬了5種工況，其具體工況設(shè)置如表2所示。

表2 不同工況下對應(yīng)設(shè)置的條件Tab.2 Corresponding Setting Conditions under Different Working Conditions

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 不同工況條件下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)

對5個不同工況下的高填方邊坡進行數(shù)值模擬計算，得到最終安全系數(shù)Fs分別為1.57、1.44、1.50、1.43、1.23。

其中在天然土石混合料狀態(tài)下，即工況1～4 中，這4 種工況下他們的變量是②有無設(shè)置土工格柵③有無設(shè)置抗滑樁的錨索，且他們的滑裂面發(fā)生的位置相近，形狀類似，以工況1為例，如圖6?所示。

在土石混合料浸水飽和狀態(tài)下，即工況5，其滑裂面與其他4 種工況截然不同，如圖6?所示。

圖6 土石混合料天然狀態(tài)下有效塑性應(yīng)變Fig.6 Effective Plastic Strain of Soil-rock Mixture under Natural Conditions

3.2 結(jié)果分析

對土石混合料的不同狀態(tài)進行分別討論。

3.2.1 天然狀態(tài)下土石混合料

從上述結(jié)果，可以看出天然狀態(tài)下土石混合料的4種工況安全系數(shù)都處在穩(wěn)定狀態(tài)下（Fs≥1.30），且其滑裂面會發(fā)生在土石混合料的下方與右側(cè)，除了土石混合料的右下部有一小部分會形成外，滑裂面其余大部分發(fā)生在土質(zhì)較軟的素填土和粉質(zhì)黏土處，且其形狀顯得較長且較寬。同時由于有抗滑樁的阻擋作用，無論軟土部分還是土石混合料部分，抗滑樁的兩側(cè)土體均發(fā)生了一定的塑性應(yīng)變，不過這對于高填方邊坡的整體穩(wěn)定性不會有太大的影響。

此時，對比工況2 和工況4，其安全系數(shù)差別并不大，兩種工況所控制的唯一變量是有無土工格柵，有土工格柵的工況相比無土工格柵其安全系數(shù)僅提升了0.01，即提升了0.7%，這是由于滑裂面并沒有發(fā)生在土石混合料填方的邊坡，即土工格柵分層設(shè)置的地方，因此此時土工格柵的作用并沒有被太大地體現(xiàn)出來。

在土石混合料天然狀態(tài)條件下起到影響安全系數(shù)或邊坡穩(wěn)定性的，其實更多體現(xiàn)得到的是錨索和抗滑樁的作用，由圖4可以清晰看出，錨索所設(shè)置的位置會貫穿滑裂面的下側(cè)，對于抗滑樁的抗傾倒以及邊坡滑裂的發(fā)生起到一定的作用，對比工況3 和工況4，錨索的存在安全系數(shù)提升了0.07，即提升了4.9%，因此，錨索對此邊坡的穩(wěn)定性起到很大作用。

最后，對比工況1 和工況3，設(shè)置土工格柵可以使安全系數(shù)得到進一步提升，因此，在此高填方邊坡中，同時設(shè)置錨索以及土工格柵是一個正確的做法。

3.2.2 浸水飽和狀態(tài)下的土石混合料

從上述結(jié)果，可以看出浸水飽和狀態(tài)下的土石混合料工況下，即工況5，其安全系數(shù)僅為1.23，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)（1.05≤Fs≤1.30），其滑裂面發(fā)生在抗滑樁頂端的右側(cè)，跨越了整個土石混合料部分，且其形狀顯得較短且較狹窄，相比天然狀態(tài)土石混合料工況下的滑裂面有著明顯的區(qū)別。由于滑裂面大部分發(fā)生在抗滑樁的上側(cè)，因此抗滑樁的左右兩側(cè)并沒有發(fā)生明顯的塑性應(yīng)變。

對比工況1 和工況5，土石混合料浸水飽和狀態(tài)下與天然狀態(tài)下相比，安全系數(shù)降低了0.34，即降低了21.7%。導(dǎo)致其安全系數(shù)有明顯的降低，是由于浸水飽和后，土石混合料的土體強度下降明顯，在工況5中，由于滑裂面發(fā)生的位置橫跨土石混合料部分，使得土工格柵的作用得以體現(xiàn)，再次印證了土工格柵的設(shè)置對于維持邊坡的穩(wěn)定有著重要的作用。

同時，從結(jié)果中可以推斷出，當降雨的發(fā)生，土石混合料不斷浸水飽和，其強度隨之不斷減少，會使得邊坡滑裂面不斷上移，且長度變短，寬度也變窄，安全系數(shù)不斷降低，影響高填方邊坡的穩(wěn)定性。在此過程中，根據(jù)滑裂面的移動，影響邊坡穩(wěn)定性的主導(dǎo)構(gòu)件也將會從錨索逐漸轉(zhuǎn)至土工格柵中。

4 結(jié)論

廣州市某熱力電廠土石混合料高填方邊坡工程，其工程地質(zhì)條件復(fù)雜，填方高度較大，對合理的邊坡支護體系選擇提出了較高要求，通過采用壓實的加筋土石混合料作為填筑料，聯(lián)合抗滑樁+錨索的支護體系，確保了高填方工程的順利實施和安全穩(wěn)定，得到的主要結(jié)論如下：

⑴當土石混合料處于天然狀態(tài)時，高填方邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.4，邊坡滑裂面出現(xiàn)在原狀土層內(nèi)部且埋置深度和延展寬度較大。

⑵當土石混合料浸水飽和狀態(tài)時，高填方邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)降低至1.23，邊坡滑裂面出現(xiàn)在土石混合料與原狀土層的界面附近且埋置深度和延展寬度較小。

⑶土工格柵和錨索的設(shè)置均有利于提高填方邊坡的穩(wěn)定性。同時，為確保土石混合料填方邊坡的穩(wěn)定性具有足夠的安全儲備，需要做好土石混合料的排水防滲工作，避免土石混合料或其他土體浸水軟化，強度降低，誘發(fā)邊坡的失穩(wěn)破壞。