基于边坡三维变形支护分析

基于边坡三维变形支护分析

胡贤良

身份证号：612526199310036138

摘要：随着国家经济的不断发展，居民对生活的要求开始向更高的层次发展，而基础建设则备受关注，这也对基建行业的发展提出了更高的要求。在实际工作的过程中，验算方法的多样性是现代工程建设必不可少的一环，对工程建设的风险预估以及经济性有极大帮助，因此，必须根据实际情况对建设场地的各种工况在一定的岩土参数下进行相关的验算以及相应的模型计算。

关键词：工程建设；验算；建模

一、三维计算在工程实际应用中的效果与设计参考依据

在二维刚体极限平衡边坡支护设计方案的基础上，建立三维离散元分析模型。布置桥梁基础，以结构单元模拟（桩基础采用桩单元（pile）、承台采用壳单元（shell））。边坡进行预应力锚索加固，锚索采用索单元（cable）模拟。在基础顶面施加上部结构荷载，包括轴力、剪力、弯矩。分析边坡“岩体-结构”体系在控制工况（暴雨+地震）下的变形特征，以位移和强度（塑性区）作为指标，校核边坡的支护方案。控制标准为工程区（支护I区）合位移小于20mm，且塑性区不贯通。由于建模过程中全-强风化层厚度与二维刚体极限平衡法有一定差别，边坡支护锚索的处理办法是：中风化内锚固段长度相同，截面积、支护力相同，自由段长度不同，以确保支护效果相同。

（1）计算说明

根据委托方提供的地质地形图以及桥梁初步设计图纸，建立 大桥小里程岸坡基础布设区域的三维地质模型，长约1107.7m（顺桥向Y轴），宽约200m（横桥向X轴），高约644m（Z轴），桥梁中线约在x=61.0m处。三维地质模型的地层自上而下依次为全风化石英岩19.1m、强风化石英岩17.2m、中风化石英岩，其中全风化和强风化石英岩岩层厚度是在断面图岸坡影响范围内每50m截取一个厚度加权平均所得。由于本次计算模型的几何尺寸较大，为了更加有效的划分网格，采用四面体网格单元进行离散，考虑到上覆岩层强度较下部更弱，网格划分时将上两层岩土体网格划分更密，保证了计算精度和计算速度如表1

表1‑1：(1) 大桥小里程边坡岩土力学参数

(2) 桥桩长（小里程）

(3)大桥内力

(4)小里程锚索单元参数表

根据1的计算结果，拟在主桥索塔-桥台区域，桥梁中轴线至两侧各75m范围内分别布设预应力锚索支护，并在3DEC计算中完善支护参数（支护范围、锚索长度等）。

（2）结果分析

首先，计算在最不利工况条件下（降雨+地震）， 大桥小里程在荷载作用下岸坡的位移云图和塑性区云图。由位移云图和塑性区云图可以看出，在载荷作用下， 大桥小里程工程边坡塑性区分布范围较大，且较为贯通，坡体内发生较大位移的范围也很大，这对工程边坡的稳定性造成了很大的影响，对桥梁基础的稳定性也非常不利。其次，在工程边坡的基础上，施加原支护方案的锚索量进行初步支护，分析该情况下工程边坡的稳定性。由塑性区云图以及位移云图可以看出，相对于不加支护下的工程边坡，施加原支护的工程边坡坡体内塑性区范围有一定程度的缩小，并且较大位移区域的分布也相应的减少，说明在初步支护下工程边坡的位移和变形得到了一定程度的控制，但是位移云图显示，在桥梁基础的布设区仍然存在着位移较大的区域，说明原先的支护没有完全控制工程边坡的位移和变形，这将会导致坡体内局部区域（主要是基础布设区域）发生较大位移，随之可能会导致坡体内力增大，并且局部位移可能会影响到墩台的安全，因此需要对原支护方案进一步完善。最后，在原支护方案的基础上，对支护方案的不足进行完善，使其服务于工程边坡，完善的支护方案，计算得到的塑性区云图和位移云图如1、2所示。由塑性区云图和位移云图可以看出，相对于原支护的工程边坡云图，完善后的支护工程边坡坡体内塑性区域再次缩小，而且分布较大位移的区域更是显著减少，桥梁基础布设区域没有发生较大位移，说明完善后的支护方案能够控制工程边坡的变形和位移，从而确保工程边坡的稳定。

图1支护方案完善后工程边坡位移云图（降雨+地震）           图2支护方案完善后工程边坡塑性区云图（降雨+地震）

总体原则是：为确保工程岸坡的稳定性，对自然岸坡进行支护设计。主要采用预应力锚索支护，并对施加支护后的工程岸坡进行二维极限平衡分析和三维离散元分析，以确保岸坡在布设桥梁基础以及施加工程载荷情况下依旧保持稳定。

二维刚体极限平衡计算得到边坡各类支护的支护力，并据此确定出预应力锚索设计参数（包括锚索截面积、长度、预应力），在此基础上进行三维离散元分析，从变形控制的角度，完善了锚索参数，主要是增大了锚索长度，综合分析结果，建议的支护参数如下表2所示。其中，横向范围划分时，按照主桥索塔中轴线处x=0进行划分。

表2 大桥支护设计参数

注：表中所使用的锚索型号是1x7φ15.20（用7根钢丝捻制的标准型钢绞线，抗拉强度1860MPa，φ15.20表示公称直径）

参考文献：

[1] 悬臂式抗滑桩受力特性分析及桩间距计算[J]. 林斌;李怀鑫;范登政;王鹏.人民长江,2021(04)

[2] 基于滑动面应力假设下的三维边坡稳定性极限平衡法研究[J]. 邓东平;李亮.岩土力学,2017(01)

[3] 基于三维数值模拟的边坡稳定性分析的整合方法研究[D]. 徐鼎平.马鞍山矿山研究院,2007

[4] 基于三维有限差分数值计算的边坡变形稳定性综合分析——以重庆万州区某边坡为例. 王建;郑帅恒.中国水运(下半月),2022(04)