基于ABAQUS的福建某边坡改建与加固方案研究

刘澄源

(福州市规划设计研究院 福建福州 350003)

0 引言

我国山区面积广大，而福建又属西南山区，随着道路建设的推进，边坡工程十分常见[1- 2]。由于早期资金、技术、设备等方面原因，一些边坡承载力、使用要求等方面可能已经无法满足现今需求，需进行拓宽、加高、加固等措施[3-6]。

本文以福建某边坡改建工程为例，采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，在原边坡强度验算基础上，提出简便、有效的改建加固方案，并对改建方案与加固方案分别进行沉降与安全系数等力学分析，并基此提出一些工程优化建议，以期为相关工程提供参考。

1 案例边坡概况

福建某边坡，始建于2003年，原拟在坡顶修建厂房，用以堆放重型设备及原材料，故在修建此边坡时，采用了体量较大的仰斜式挡土墙及较低坡率的放坡，但因某些原因导致在修建完边坡后并未继续建造厂房。现受业主委托重新规划厂房位置，但由于坡顶面积不够，需对此边坡进行改建处理。然而，本次对原边坡改建的范围很大，且原边坡将由缓坡变陡坡，势将涉及原边坡承载力、新填陡坡变形及安全性等问题。

该边坡纵向长约83m，采用开挖的方式对一多土层山体进行平整加固处理而成。边坡土层丰富，土质较好，自上而下分别为：①残积土，表层植被茂盛，根系发达，孔隙率大，含水率较大，强度较低，组织结构全部破坏，已风化成土状；②全风化凝灰熔岩，散体状结构，有残余结构强度，原岩主要矿物成分为长石、石英等；③强风化凝灰熔岩，岩体疏松破碎，构造层理不清晰，矿物质成分显著发生变化；④中等风化凝灰熔岩，结构部分破坏，岩体呈碎块状，沿节理面存在次生矿物；⑤微风化凝灰熔岩，结构基本未变，仅有少量风化痕迹，硬度高，结构性强。

边坡总高17.54m，土坡高8m，坡率1∶3.08，挡土墙为长条石及钢筋混凝土共同修筑的重力式挡土墙，埋入地面2.86m，墙高9.54m，顶部宽2m，墙面坡度1∶0.33，墙背坡度1∶0.2，底部嵌入中等风化凝灰熔岩，墙身设间距2m、半径0.1m排水孔，坡面设铺砌层，地面设排水沟，挡土墙与土坡养护得当，无变形，无病害，如图1所示。

2 边坡分析

边坡坡率较低，挡土墙体量大，土质良好，但考虑到需要填筑大体量填土及坡顶荷载较大，不能直接仅凭经验确定改建方案，需对原边坡进行强度验算，确定其安全储备。现利用ABAQUS有限元软件对原边坡建立数值模型，采用强度折减法评估原边坡安全性。

2.1 模型建立与分析

(1)建立数值模型

原边坡沿纵向地质情况与图1近似，挡土墙情况也基本相同，地貌情况也并未对边坡产生明显三维效应，为减少运算量，提高效率，可对本构模型进行简化，采用二维平面应变模型进行分析。本分析利用ABAQUS导入功能，将原边坡的CAD图直接导入生成精确的数值模型，生成模型如图2所示。

图2 原边坡数值模型

(2)定义材料参数

由于边坡土质良好，故残积土层、全风化层及强风化层采用Mohr-Coulomb(摩尔库仑)本构模型，中等风化层、微风化层及挡土墙采用线弹性本构模型。根据地勘报告和室内试验结果，最终土体材料参数与挡土墙材料参数按表1所示取得[7-9]。

表1 材料参数

(3)分析步设置

①Geostatic重力分析步设置。因该工程为开挖边坡，且边坡修筑完成距今已有15年，可认为边坡沉降及变形已基本完成，内部应力基本稳定。参考2007年万智[10]等对老路基有限元分析的处理方式，对其整个边坡进行地应力平衡，令边坡获得无初始应变而有初始应力的初始平衡状态。

②Static静力分析步设置。对整个边坡进行强度折减，获取边坡安全系数。强度折减法的基本原理为：将土体材料的c和φ按比例逐渐降低，直到某个单元所受应力超过其强度，形成屈服点。当多个屈服点连成贯通面，形成滑动带之后，土体失稳，此时c和φ缩小的倍数就是安全系数[11]。

(4)模型荷载及边界条件

固定模型底部X方向、Y方向位移，约束模型左右两侧的水平位移。

(5)网格划分

网格划分与单元类型决定了计算结果的准确性。对主要分析的上部前3层土进行网格加密处理，所有部件采用的单元类型均为CPE4。

2.2 结果分析

图3为原边坡的滑动面云图。

图3 滑动面云图

由图3可知，滑动面存在3处：①一层与二层土交界处；②二层与三层土交界处；③挡土墙墙背。虽覆盖范围较广，但此时安全系数已达到3.0，且挡土墙位移及变形极小，可忽略不计。故，该边坡十分稳定，安全储备很大。

3 改建方案

经对原边坡安全系数及变形情况的了解，结合业主要求和现场实际情况，决定对挡土墙直接加高1.5m，采用砂土填筑，对原边坡拓宽15m，新边坡坡率改为1∶1.5，其余情况不变。改建方案如图4所示。

图4 改建方案剖面图

3.1 改建边坡数值模型建立

图5为边坡改建方案的数值模型。图中红色部分为新建挡土墙，绿色部分为新填砂土。

图5 改建边坡数值模型

新建挡土墙材料参数按原挡土墙取得，新填砂土材料参数按表2取得。

表2 材料参数

在原边坡数值模型基础上，为更加准确新填边坡的应力应变分布情况，利用单元生死功能[12]，模拟分步和分层施工过程，添加新的分析步。

具体模拟过程为：在对原边坡进行地应力平衡后，首先将新建挡土墙加上，然后每隔0.5m填筑一层砂土，共填17层，如图5所示；再按图4所示，在填筑完成后对坡面相应位置处施加35kPa的均布荷载；最后，对整个模型进行强度折减。其中，在填筑过程中，考虑砂土与残积土拼接及施工方便问题，在填筑每一层填土前，在拼接处对残积土开挖0.5m。

3.2 结果分析

图6为均布荷载加载完成后的水平位移及竖直位移图。

(a)水平位移

(b)竖直位移图6 位移图(单位：cm)

由图6可知，水平位移最大约3.8cm，主要集中在坡脚处；竖直位移最大约4.5cm，主要集中在加载处下方的中部，沿新填砂土与残积土的交界处向下分布。水平位移与竖直位移并不是出现在填土表面，对于采用分层填筑的新填填土，更为贴合工程实际情况，ABAQUS的单元生死功能很好地模拟了这一情况。

图7为总位移的矢量图。

图7 总位移的矢量图(单位:cm)

由图7可知，位移主要集中在新填砂土与残积土交界处，总位移最大约5.1cm，挡土墙最大位移在新填部分顶端，约3.4cm，位移总体而言都较小。

图8为边坡滑动面图。

图8 滑动面图

由图8可知，边坡土体屈服面主要集中在新填砂土和挡土墙墙背，但导致边坡失稳的是新填砂土中的圆弧形滑动面，它的形成使得边坡迅速垮塌。墙背土体尽管已经屈服，但由于挡土墙的持力层非常稳固，所以未对边坡造成太大影响。边坡安全系数为1.17，该边坡安全储备较小，在某些情况下(如大降雨、堆载过多等)，极易发生安全事故，需要对其进一步加固。

4 加固方案

考虑到边坡与挡土墙的位移较小，符合要求，但安全系数稍小，且影响安全系数的主要原因在于新填砂土土坡过于陡峭，因此决定在填筑每一层砂土时，铺设一层土工格栅，共16层，以提高边坡安全系数。土工格栅铺设位置如图9红色部分所示。

图9 土工格栅铺设位置图

土工格栅采用线弹性本构模型，材料参数按表3取得，并且设置土工格栅只能承受拉力。

表3 材料参数

图10为土工格栅铺设后边坡滑动面图，图11为土工格栅水平方向应力图。

图10 铺设后滑动面图

图11 土工格栅水平方向应力图(单位:Pa)

如图10所示，在新填砂土中铺设土工格栅效果明显，新填砂土在滑动面处在残积土层，安全系数约1.63，增加63%。图11表明在加固前滑动面的位置处，土工格栅应力最大，表明土工格栅能较好地发挥了应力的传递作用。第一和第二层土工格栅应力非常小，可忽略不计，表明其并未发挥作用，为提高经济效益，可考虑撤去。

加固后边坡的水平位移较大区域仍然在新填边坡最底部，最大水平位移约为2.4cm，减少36.8%，竖直位移较大区域也未发生较大变化，最大竖向位移3.2cm，减少40.6%，加固效果较为明显。总体而言，变形和安全系数均满足要求。

5 结论

综上，本文主要结论如下：

(1)由于原边坡安全储备良好，使得边坡变形和安全性问题主要集中在新建边坡上。而在对填土铺设土工格栅后，水平位移减少36.8%，竖向位移减少40.6%，安全系数增大63%，效果明显。

(2)对新填边坡进行有限元分析时，在简化模型的同时，模拟了分层施工过程。结果显示，水平位移与竖直位移并非出现在填土表面，而是分别位于位移新填边坡底部和中上部，更为贴近实际情况。

(3)边坡改建前需对原边坡进行全面的评估监测，观察原边坡有无明显病害，挡土墙排水情况，并对原边坡进行地质勘测，运用有限元等工具，进一步判断原边坡情况。在原边坡情况良好时，综合考虑经济效益，可直接对原挡土墙进行加高后填筑拓宽，并需对改建后边坡的变形及应力分布特点、安全系数等情况进行细致分析。