格构梁联合锚杆加固岩质边坡的稳定性分析

于海涛

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500；2、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州 510500）

0 引言

近年随着我国基础设施建设的快速发展，高挖低填使得城市建筑用地内出现很多建筑岩质边坡，边坡稳定性研究与治理成为关注焦点［1］。由于施工简便、加固整体性强等特点，格构梁联合锚杆是边坡加固的常用方案，加固后边坡稳定性分析一直是研究重点，稳定性影响因素主要有水文地质条件、地震作用等［2-4］，目前分析方法众多，主要有定性分析法、及包括极限平衡法和数值分析法的定量分析法等，选用合理分析方法评判实际边坡稳定性极其重要［5-7］。

本文针对一处实际边坡，通过现场实测其坡高和坡率，通过现场勘探、原位测试和室内试验得到各岩土层分层和物理力学参数，采用有限差分数值模拟软件FLAC 3D［8-9］，基于不同本构模型分别计算边坡在天然状态、降雨作用、地震作用条件下的稳定性，分析得到边坡的稳定性系数、最大位移量及其潜在滑移位置，本文研究成果可为该边坡监测和治理设计提供依据，也可为今后类似工程边坡的稳定性分析提供参考借鉴。

1 工程概况

图1 格构梁联合锚杆支护岩质边坡Fig.1 Rock Slope Supported by Lattice Beams and Bolts

2 边坡稳定性分析

2.1 分析断面选择

现场实测该边坡第一级边坡长约205 m、高约12 m，第二级边坡长约122 m、高约12 m。两级边坡的设计坡率均为1∶0.35。根据现场实际情况结合勘探资料，选择在勘察报告中计算稳定系数最低的剖面1和现场实测坡高最高的剖面2 附近各选取了一处典型断面，现场采用全站仪实测其坡高和坡率，根据实测情况进行边坡现状稳定性计算。根据现场勘探揭露，两个典型剖面的岩土分层情况分别为：1#剖面自上而下的各岩土层为素填土、强风化砂岩、中风化砂岩和中风化砂砾岩；2#剖面自上而下的岩土层为素填土、强风化砂砾岩、中风化泥质粉砂岩、中风化砂砾岩和中风化砂岩。

2.2 模型建立

计算模型除坡面外均外扩1/5H（H为坡高），如图2所示。经过反复试算对比模型尺寸对计算结果的影响，发现1/5H的外扩距离可基本消除模型边界对计算结果的影响。

图2 模型边界范围Fig.2 Model Boundary Range

边坡各剖面的计算分析属于平面应变问题，采用FLAC 3D 软件计算时，在纵向只划分一个单元，施加纵向约束即可模拟平面应变问题。

在边坡模型的构建中，岩土体采用实体单元（zone），格构梁采用FLAC 3D 内置的beam 结构单元，坡顶挡土墙和喷射混凝土面层采用shell结构单元，锚杆采用cable 结构单元。网格根据岩体分区划分为不同的Group，分别对应不同岩性和风化程度的岩土层。根据实测坡度、现场实测的支护结果情况、勘探获得的工程地质条件和岩土分层情况，建立了两个剖面的FLAC3D 数值模型，如图3 所示。其中，1#剖面共划分952 个单元，包含2 034 个节点；2#剖面共划分1 186个单元，包含2 522个节点。

图3 1#剖面及2#剖面数值模型Fig.3 1# Section and 2# Section Numerical Model

2.3 本构模型和边界条件

边坡2个剖面在天然状态、暴雨条件下的位移计算和安全系数求解均采用摩尔库伦模型，地震作用下的安全系数求解采用拟静力法［10-11］，地震作用下的边坡位移计算采用考虑地震历时的非线性动力分析方法。

静力计算将坡面设置成自由边界，模型底部为固定边界条件，模型的侧边界为法向约束边界。动力计算在水平方向上采用自由场边界，在模型底部采用静态粘滞边界，用以消除应力波在边界上的反射效应。

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2.4 分析工况

⑴地震作用：根据《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》，所在地的抗震设防烈度为6 度，设计基本加速度峰值为0.05g，地震作用下的边坡动力计算参数如下：局部阻尼为0.157 1，地震历时24.96 s。

地震产生加速度随地震历时变化曲线如图4所示。

图4 地震历时曲线Fig.4 Earthquake Duration Curve

⑵地下水及降雨：根据所在地国家气象站降水资料，50年一遇最大日设计降水为208.3 mm。降雨对边坡的影响除了形成水压力，还将造成岩土体的力学性质发生弱化，数值计算中考虑降雨作用时，采用饱和状态下的岩土参数进行计算。

⑶支护结构：根据现场检查检测得到的实际格构梁尺寸和钢筋配置、挡土墙尺寸、喷射混凝土厚度等结果，结合锚杆检测报告，按边坡实际支护情况建立边坡支护结构数值模型。其中，1#剖面第一级共布置4 排锚杆，第二级布置3 排锚杆，间距2 m；2#剖面两级均为5 排锚杆，间距2 m，锚杆、格构梁和喷混凝土的数值模型如图3所示。

2.5 岩土物理力学参数

计算参数选取依据土工试验结果，并结合相关规范和地区经验，具体如表1所示。

表1 各岩土层的物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Each Stratum

2.6 计算结果分析

2.6.1 自重平衡计算建立边坡的数值模型之后，首先进行边坡在自重应力下的平衡计算，得到边坡的初始应力状态。

2.6.2 边坡位移计算

自重平衡之后，将初始位移清零，保留边坡的自重应力场，计算边坡在天然状态和暴雨条件下的位移发展情况。边坡在天然状态下的位移云图如图5所示。

图5 边坡1#剖面及2#剖面天然条件下位移云图Fig.5 Displacement Cloud Image of Slope 1# Section and 2# Section under Natural Conditions

现状条件下，1#剖面天然状态下的最大位移发生在第一级边坡中下部，坡脚以上2 m左右位置，最大位移14 mm；2#剖面的最大位移约3 mm，发生在第二级边坡底部，马道上方。两处位移计算数据与加固后没经暴雨过程的边坡监测数据基本吻合。

边坡在暴雨条件下的位移计算结果如图6所示。

图6 边坡1#剖面及2#剖面暴雨条件下位移云图Fig.6 Displacement Cloud Image of Slope 1# Section and 2# Section under Heavy Rain Condition

在暴雨作用下，由于边坡的排水设施布置不符合设计要求而导致排水不畅，边坡在暴雨饱和状态下的位移明显增大。其中，1#剖面在暴雨条件下的最大位移约24 mm，发生在第一级边坡中下部；2#剖面的最大位移约5 mm，发生在第二级边坡底部接近马道处。计算数据与暴雨过后的边坡监测数据基本吻合。

2.6.3 稳定性系数计算

FLAC 3D 程序内置边坡安全系数计算功能，通过程序特有的fish 语言编制计算程序，设置不同状态下的本构模型、岩土参数和边界条件，分别计算得到边坡在天然状态、暴雨条件及地震作用下的稳定性系数，其汇总结果如表2所示。

表2 边坡各状态下稳定系数计算汇总Tab.2 Summary of Slope Stability Coefficient Calculation under Each State

本边坡属于一级永久边坡，依据《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》，边坡在一般工况（天然状态、暴雨条件）下的稳定安全系数Fst=1.35，在地震工况下的稳定安全系数Fst=1.15，故边坡1#剖面的稳定性状态为“基本稳定”；2#剖面在天然状态和地震作用下的稳定性状态为“稳定”，在暴雨条件下的稳定性状态为“基本稳定”。综合两个剖面在不同工况下的计算结果，边坡整体的稳定状态为“基本稳定”。

2.6.4 潜在滑移面分析

边坡安全系数计算过程可得到在极限状态条件下的有效剪应变增量云图，通过该云图可分析得到边坡在极限状态下的潜在滑移面，1#剖面潜在滑移面位于坡面位置在第一级边坡底部，2#剖面潜在滑移面位于坡面位置在第一级边坡顶部，如图7所示。

图7 1#剖面及2#剖面极限状态下有效剪切应变增量云图Fig.7 Nephogram of Effective Shear Strain Increment in Limit State of 1# Section and 2# Section

3 结论

本文以广东某地边坡为例，详细论述基于FLAC 3D的针对格构梁联合锚杆加固岩质边坡稳定性数值分析计算方法。主要结论如下：

⑴综合分析天然作用、暴雨作用和地震作用下的稳定性计算结果，边坡经格构梁联合锚杆加固后达到基本稳定，暴雨与地震作用对边坡稳定性影响较大。

⑵现状条件下和暴雨条件下，边坡最大位移位置基本一致，最大位移发生在暴雨作用下第一级边坡的中下部，位移量约24 mm，与监测数据基本吻合。

⑶经有效剪应变增量云图分析，极限状态下潜在滑移面位于坡面位置均处于第一级边坡范围，与最大位移发生位置有所偏移。

以上结论证明了基于FLAC3D 数值方法对格构梁联合锚杆加固岩质边坡稳定性分析计算的适用性和准确性，分析成果可为该边坡监测和治理设计提供依据，也可为今后类似工程边坡的稳定性分析提供参考借鉴。