基于FLAC3D的山区公路高边坡滑坡治理方案优选

　　摘 要：以黔东北某山区公路高边坡滑坡治理工程为例，基于FLAC3D软件最大位移、最大剪应变增量等计算结果，结合施工难度、经济性等因素，在三种方案中选取预应力锚索框架梁+抗滑桩复合支护为最佳支护方案。研究桩位对支护效果的影响，最终确定抗滑桩距锚索框架梁10m左右时支护效果最佳。竣工后的监测结果表明，边坡的优化设计达到了预期效果。

　　关键词：FLAC3D;高边坡;支护方案;桩位;方案优选

　　0引言

　　随着我国西南地区交通基础设施的高速发展，山区公路建设日益增多，在地形陡峭部位形成的公路高边坡，设计和施工时若支护整治措施不当，常出现落石、局部滑塌甚至滑坡等突发性、后果严重的地质灾害，影响工程建设和运营安全。因此，山区公路高边坡的治理及支护结构研究显得尤为重要。

　　目前，常用的边坡支护形式主要有混凝土挡墙、抗滑桩、预应力锚杆(索)、预应力锚杆(索)框架梁及前述支护形式间的组合等。候小强、马洪生、王家伟、叶帅华等[1-4]研究了预应力锚杆在高边坡支护中的应用情况，主要集中于预应力锚杆的受力分析和结构优化，预应力锚杆长度、直径、锚固角度等参数的优化比选及相关施工技术。

　　在抗滑桩支护方面，刘鸣、谭朝瑞、李世文等[5-7]分析了抗滑桩的受力机理及变形规律，基于稳定系数、位移等设计参数对桩位、桩长、桩间距等关键指标进行了对比优化;张歆瑜[8]分析了锚索框架梁和锚索抗滑桩组合支护形式的受力机理、计算及施工要点;龙森、王大伟等[9-10]利用有限元软件分别对使用锚杆、抗滑桩等支护方案进行了方案优选。

　　上述研究主要集中在某种支护形式的设计，方案优选也是在兼顾支护效果、施工难度、工程造价等因素的情况下选择单一的支护形式，对复合支护方案的优选涉及较少，如抗滑桩和预应力锚索相结合的情况下，应如何进行设计优化。此外，岩土工程往往由于工程地质的不同而彰显其复杂性，因此，边坡治理在借鉴前人经验的同时，更应考虑工程实际情况。

　　本文依托贵州省某山区公路高边坡支护项目，该项目设计之初存在抗滑桩、预应力锚索框架梁和预应力锚索框架梁+抗滑桩复合支护三种方案，运用FLAC3D软件对上述方案进行数值计算，在确定锚索框架梁+抗滑桩复合支护为最终方案的基础上，改变抗滑桩的位置，从而达到最佳支护效果。可为类似高边坡支护工程提供设计思路。

　　1工程概况

　　1.1工程地质条件

　　滑坡段公路位于黔东北山区，山势陡峻，地形坡度20°～40°，原有支护结构为挡土墙，坡下坐落有食品加工厂和民居区。

　　部出现后缘张拉裂缝，缝宽20～40cm，下挫位移10～30cm。边坡上部松散堆积体已有滑动迹象，滑体高约64.7m，平均厚13.6m，现有支护结构已不满足山体稳定的基本要求，需重新支护。勘测表明：滑坡区自上而下为松散堆积体(耕植土和黏土)、强风化砂质页岩、中风化砂岩及弱风化灰岩。典型工程地质断面。

　　耕植土，黄褐色，稍湿，厚度0.5～1.0m，主要为黏土，含较多植物根系，结构疏松。强风化砂质页岩，黄灰色及青灰色，粉砂状泥质结构，薄层-中厚层状构造，岩体较破碎，基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ类。中风化砂岩，黄灰色及青灰色，砂质结构，中厚层状构造，岩体基本质量等级为Ⅱ~Ⅲ类。

　　弱风化灰岩，青灰色及深灰色，隐晶结构，中厚层状构造，岩体较完整，岩质较坚硬。场地内地表水不发育，主要为雨季大气降水坡面流，根据钻探结果，滑坡区内地下水贫乏，未见稳定地下水位，可不考虑地下水对本工程的作用，该边坡安全等级为二级。

　　1.2滑坡形成机理

　　根据场区勘测资料和滑坡的受力状态，认为该滑坡为推移式滑坡[11]。主要考虑两点因素：首先是雨季连续强降雨导致的外荷载增加，大量雨水渗入并滞留于滑体上部透水性较好的强风化岩土体中，从而显著加大了岩土体的重度和下滑力;其次是耕植土和强风化砂质页岩强度低、稳定性差。在这两方面因素共同推动下，先由上部岩土体松动下滑，当下部抗滑力无法抵抗上部推力时，导致滑体产生整体式位移。

　　2支护方案优化分析

　　2.1FLAC3D建模及参数选取

　　目前，边坡设计常用的方法主要有极限平衡法、极限分析法和数值分析法等[12]。本文运用FLAC3D软件建立模型。基于稳定系数、位移、剪应变增量等计算结果，综合考虑施工、经济等方面的因素，找出最优设计方案。依据勘察资料，岩体物理力学参数。边坡未支护时的变形。边坡最大水平位移917.67mm，最大沉降645.69mm，稳定系数0.992，处于临界状态。模拟结果与现状相符，说明边坡急需支护。

　　2.2不同支护方案对比

　　抗滑桩具有抗滑能力强、适用条件广、稳定性高、施工简单等优点，广泛应用在浅层和中厚层滑坡之中[13]。锚索(杆)框架梁由于其节省工程材料、工程造价低、边坡绿化效果好、随机补强等优点，在边坡治理中尤其是岩质(破碎岩体)边坡有很强的实用性[14]。

　　该滑坡治理初步确定了抗滑桩、预应力锚索框架梁、抗滑桩+预应力锚索框架梁联合支护三种方案。方案1为预应力锚索框架梁支护，设二级边坡，中间设4m宽平台，框架梁采用截面尺寸50cm×50cm的矩形截面，弹性模量取20GPa，锚索水平及竖向间距均为3m，锚固段长为9m，锚固于弱风化灰岩中，锚固吨位30t，每孔锚索6束钢绞线，锚索倾角为25°;方案2为抗滑桩支护，抗滑桩桩径2m×3m，弹性模量取30GPa，嵌入弱风化灰岩8m，两排抗滑桩间距10m;方案3为抗滑桩+预应力锚索框架梁组合支护，边坡下方布置抗滑桩，桩参数及嵌岩深度同方案2，边坡上方为预应力锚索框架梁，设计参数同方案1，抗滑桩与预应力锚索锚头间距20m。

　　方案1最大水平位移为18.95mm，位于滑体中上部;方案2最大水平位移39.55mm，位于滑体下部;方案3最大水平位移为24.40mm，位于滑体中部。方案1的最大水平位移最小，方案2最大，方案2和方案3比方案1的最大水平位移分别增加了108.71%和28.76%。因此，就最大水平位移这一单一指标而言，方案1最佳。

　　引入剪应变增量、稳定系数等计算结果，并结合三种方案的工程特点及工程造价，以确定最优方案。方案2在计算指标和工程造价方面最差，因此首先排除。方案3和方案1在稳定系数、最大剪应变增量等计算指标上相差不大，造价上方案3也只比方案1略大3.17%，因此两种方案均可采用。着重比较工程特点，方案1和方案3中，预应力锚索框架梁施工不易操作，需要坡面清理等工序并将破坏原有绿化，且锚索的预应力损失将降低结构的耐久性，因此方案3优于方案1。

　　推荐方案3。方案3为抗滑桩+预应力锚索框架梁联合支护，现研究桩位的最佳位置，进一步优化。以与最下排预应力锚索锚头的距离为基准初选4个桩位，分别为：#1距离32.4m;#2距离20.0m;#3距离10.1m;#4桩距离1.5m。桩位布置及各桩位水平位移。#1～#4最大水平位移分别为34.31，24.40，14.71，12.59mm，其中#1，#2，#3最大水平位移发生在滑坡中上部，#4最大水平位移发生在滑坡的下部，单就最大水平位移而言，#4桩位最优。为了更好更直观地进一步比较上述四种桩位，引入稳定系数、最大剪应变增量等计算结果。

　　相较于其他两个桩位，#3和#4更合理。#3的优势在于稳定系数最大且最大剪应变增量最小，而#4的最大水平位移最小。综合考虑这两个桩位，首先，#3的稳定系数为1.616，比#4的1.421大了13.72%，其稳定系数甚至比上文方案1的稳定系数1.547增加了4.46%;其次，#4的最大水平位移出现在滑坡的下部，其原因在于#4与最下排预应力锚索锚头的距离仅1.5m，距离过近导致滑体下部无任何支护，存在滑体下部再次滑动的安全隐患。因此，综合而言#3桩位，即抗滑桩与最下排锚索锚头距离在10.0m左右为最佳方案。

　　3治理效果

　　该滑坡治理最终采取抗滑桩+预应力锚索框架梁联合支护方案，抗滑桩与最下排锚索锚头距离10m。治理前后的加固效果计算结果。采用联合支护方案后，治理效果明显提高，边坡稳定系数提高了62.90%，最大水平位移降低了98.40%。竣工后，对滑坡中上部，即#3桩位进行孔口位移监测，历经一年多的监测结果。第一个月位移速率较大，位移约为4.0mm，之后位移增速减缓，施工半年以后移位趋于稳定，一年期满孔口位移稳定在10.8mm附近，表明该边坡的优化设计达到了预期的支护效果。

　　4结语

　　本文运用FLAC3D对黔东北山区公路滑坡治理方案进行了优选。(1)抗滑桩+预应力锚索框架梁联合支护为最佳治理方案，且抗滑桩与最下排锚索锚头的最优距离为10m。(2)桩位对该联合支护方案的影响较大。抗滑桩离预应力锚索框架梁越近，最大水平位移和沉降越小，但需考虑最大位移出现的部位是否有利于边坡的长期稳定。(3)滑坡治理方案的比选有其复杂性，在确定治理方案时不光要比较位移、稳定系数、最大剪应变增量等计算结果，更要综合考虑施工、造价及支护结构的耐久性。

　　参考文献(References)：

　　[1]侯小强,田树涛,姚正学.框架预应力锚杆高边坡加固机理及优化设计研究[J].公路工程,2015,40(4):81−84,121.DOI:10.3969/j.issn.1674-0610.2015.04.019.HOUXQ,TIANST,YAOZX.Thereinforcementmechanismofhighslopeandoptimizationdesignresearchusingtheframesupportingstructurewithprestressedanchor[J].HighwayEngineering,2015,40(4):81−84,121.DOI:10.3969/j.issn.1674-0610.2015.04.019.

　　[2]马洪生,庄卫林,范刚,等.预应力锚索框架加固边坡的数值分析[J].中外公路,2016,36(3):18−21.MAHS,ZHUANGWL,FANG,etal.Numericalanalysisofslopereinforcedbyprestressedanchorframe[J].JournalofChina&ForeignHighway,2016,36(3):18−21.

　　[3]王家伟.山区公路高边坡失稳与防护分析[J].科学技术与工程,2012,12(7):1554−1558.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2012.07.020.WANGJW.Instabilityanalysisofhighslopeofhighwayinmountainareaanditstreatment[J].ScienceTechnologyandEngineering,2012,12(7):1554−1558.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2012.07.020.

　　[4]叶帅华,赵壮福,时轶磊.黄土-砂岩二元结构路堑高边坡失稳机制模拟分析[J].长江科学院院报,2019,36(12):126−132.DOI:10.11988/ckyyb.20180678.

　　作者：郑中元1，向晋源2