某河堤治理工程挡土墙边坡的数值模拟研究

沈玉叶

(新疆疆南水利勘测设计研究院有限责任公司，新疆 喀什 844000)

1 概 述

随着国内基建工程不断扩大，越来越多的边坡需要进行治理，挡土墙因为取材方便在工程界应用广泛，对此学者们也进行了大量的研究。杨鹏程[1]结合高速公路某挡土墙工程，对挡土墙的施工原理和常见类型进行了阐述，并结合经验提出了防止路基崩解、垮塌和滑移的挡土墙施工方法。蓝重桔[2]认为边坡的坡率和形式对挡土墙的设计有重要的影响，提出了结合边坡类型的挡土墙设计方案，并对挡土墙方案进行了研究，研究结果表明结合边坡类型设计的挡土墙方案满足工程稳定性要求的同时，还能够节约工程造价。唐浩[3]提出了挡土墙+锚索的方案，并结合锚固点和锚固角度对边坡的稳定性进行了研究，研究结果表明挡土墙的设置对于锚索的设置有影响。苗祥达等[4]对高寒地区的挡土墙组合结构进行了受力分析，分析结果表明在高寒地区挡土墙能够有效减小边坡的水平位移和竖向位移。赵甜等[5]对挡土墙和抗滑桩的联合加固措施进行了研究，研究结果表明挡土墙+抗滑桩的联合加固方式能够更好地起到支护边坡的目的。谢凌凌[6]结合边坡类型，选择了合适的挡土墙进行加固，经计算挡土墙的施加提高了坡体的稳定性。范卫琴等[7]利用数值模拟对挡土墙组合结构的加固形式进行了研究，研究结果表明挡土墙的位置设置对于边坡的稳定性、岩土体的位移均有较大的影响。李志谋[8]认为挡土墙的设计须结合滑坡的类型，才可进行位置的选取，并通过位移监测对挡土墙的设计效果进行了评估。王磊等[9]利用数值模拟技术，对不同坡率条件下的挡土墙方案进行了研究，研究结果表明放坡越大，边坡的稳定性越差，从安全性角度出发，单一支护不及组合结构支护形式。田应[10]对桩锚组合结构进行了研究，认为桩锚结构的设计应当以边坡情况为基础，才能保证桩锚设计的安全性。李登峰等提出了考虑土拱效应的桩锚组合结构支护形式[11-14]。

以上研究多关注桩锚组合结构的设计方案，没有单独对挡土墙的支护效果进行研究。为此，本文采用单一的挡土墙结构，利用数值模拟对挡土墙的支护效果进行研究。

2 工程概况

某河道位于我国新疆地区，河堤因年久失修，影响河道沿岸居民安全，需对河堤进行治理；同时采用挡土墙进行边坡治理加固。经计算，边坡稳定性较好，暂不会发生滑移破坏。因此，设计人员采取就地取材建立挡土墙，对边坡进行再加固。见图1。

图1 边坡加固示意图

经地质勘察，岩土体主要由基岩和素填土组成。岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

数值模拟软件MIDAS SOILWORKS能够较好地模拟边坡类型，因此选择该软件进行数值模拟分析。挡土墙选择弹性模型，弹性模量为1.2×105，泊松比为0.2，容重为26.4 kN/m3；碎石土选择莫尔库仑模型，弹性模量为3.5×104，泊松比为0.3，容重为24.5 kN/m3，黏聚力为18 kPa，内摩擦角为30°。

选择自动网格对边坡进行划分，同时保证网格之间的耦合，见图2。

图2 边坡模型的网格划分

3.2 模拟的结果

3.2.1 位移分析

加固边坡后的水平位移和总体位移见图3和图4。

图4 加固边坡后的总体位移(单位：m)

由水平位移(图3)可知，边坡的水平位移主要集中于挡土墙区域，最大的位移约为8 mm，占整个岩土体比例为11%，方向水平向右，因位移不超过20 mm，在工程允许的范围内，所以可认为加固后边坡的水平位移控制在合理范围内；另一方面，约有60%以上的岩土体位移不超过3 mm，基本上处于基岩区域。由此可知，基岩因为岩体性质较好，稳定性也较强，不会对边坡的失稳造成威胁。

图3 加固边坡后的水平位移(单位：m)

由总体位移(图4)可知，边坡的总体位移主要集中于挡土墙区域，最大的位移约为11 mm，占整个岩土体比例为12%，因位移不超过20 mm，在工程允许的范围内，所以可认为加固后边坡的总体位移控制在合理范围内；另一方面，约有62%以上的岩土体总体位移不超过4 mm，基本上处于基岩区域。由此可知，基岩因为岩体性质较好，稳定性也较强。

3.2.2 稳定性分析

加固边坡后的剪切应力和塑性变化区分别见图5和图6。

图5 加固边坡后的剪应力云图

图6 加固边坡后的塑性区

由图5可知，加固后边坡的剪应力区域主要集中于挡土墙下部，原因是挡土墙重度较大，在施工过程中会对下部岩土体造成一定程度的破坏。剪切应力区域并没有贯通，说明施加挡土墙以后，边坡的滑动面不会贯通，边坡不会滑动，说明挡土墙起到了阻滑的作用。

由图6可知，加固边坡后岩土体塑性区主要集中于坡脚和挡土墙下部区域，素填土区域约有20%岩土体发生塑性变形，同时整个岩土体塑性区域并没有贯通，说明边坡不会进一步滑动。

加固后边坡的安全系数为1.62，安全系数超过1.4，从工程稳定性的角度上分析，此安全系数是满足工程要求的，说明挡土墙的施加能够保证边坡的稳定，达到了工程的要求。

3.2.3 数值模拟总结

边坡的水平位移和总体位移最大值均不超过20 mm，说明边坡的水平位移和总体位移均控制在合理范围内；另一方面，边坡的水平位移和总体位移主要集中于素填土区域，基岩区域几乎不发生任何位移，说明边坡的防治重点位于素填土区域。

边坡的剪应力主要集中于挡土墙下方，塑性区域主要集中于坡脚处和挡土墙下方，以上区域发生应力或塑性区变化的主要原因为施加挡土墙后，导致其下部土体发生扰动。但是剪应力区域和塑性区域并没有贯通，说明边坡不会发生滑动，一定程度上说明挡土墙起到了阻滑的作用。

边坡的安全系数满足工程要求，说明施加挡土墙达到了工程阻滑的目的。

4 结 论

本文结合某河堤治理中实际边坡工程，就地取材利用挡土墙进行边坡加固，通过数值模拟软件MIDAS SOILWORKS对加固后的边坡进行数值模拟研究，结论如下：

1) 水平位移和竖向位移主要发生于素填土区域，但数值均控制在合理范围内，说明加固后的边坡水平位移和竖向位移是满足要求的，如果需要做进一步的防治工作，素填土区域是加固的重点。

2) 加固后的边坡剪应力主要发生于挡土墙下方，但是剪应力区域并没有贯通，说明滑动面不会生成，边坡不会发生进一步的滑动。

3) 边坡的塑性区域主要集中于坡脚和挡土墙下方，原因是施加挡土墙后会对以上区域造成扰动，导致塑性区域的产生，塑性区域并没有贯通，说明边坡没有发生进一步滑动的隐患。

4) 边坡的安全系数为1.62，结合数值模拟水平位移、总体位移、剪应力云图和塑性区域云图可认为，边坡的稳定性可以保证，挡土墙起到了阻止边坡发生进一步滑动的目的。