基于Plaxis的某巖質(zhì)邊坡抗滑樁加固穩(wěn)定性數(shù)值分析

黃云浩

（遼寧省石佛寺水庫管理局 遼寧 沈陽 110166）

1 前言

目前，水利工程建設(shè)中邊坡的安全問題日益突出，特別是含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性問題，更是水利水電工程中的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，對于此類巖質(zhì)邊坡常采用抗滑樁進(jìn)行加固處理[1-3]。抗滑樁具有施工方便、工程量少和投資小等優(yōu)點(diǎn)，是邊坡工程中常采用的加固措施之一，應(yīng)用較為廣泛。抗滑樁對滑坡體的作用機(jī)理是利用抗滑樁插入滑動(dòng)面以下的穩(wěn)定地層對樁的抗力來平衡滑坡體的推力，從而增加邊坡的整體穩(wěn)定性，滿足設(shè)計(jì)要求[4-8]。

本文基于專業(yè)巖土軟件Plaxis，采用軟件中自帶的板單元模擬抗滑樁，對含有軟弱夾層的某巖質(zhì)邊坡進(jìn)行抗滑樁加固數(shù)值模擬分析計(jì)算，計(jì)算考慮了不加固和加固兩種工況，分別得到了不同工況下邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)、塑性區(qū)范圍和危險(xiǎn)滑裂面，為邊坡工程的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。

2 計(jì)算方法簡介

Plaxis軟件是采用有限元強(qiáng)度折減法分析計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性問題，此法考慮了對邊坡所有巖體的強(qiáng)度進(jìn)行折減，而實(shí)際巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性問題主要受結(jié)構(gòu)面控制，整體折減法計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確。因此，本文基于有限元強(qiáng)度折減法基本理論，采用局部強(qiáng)度折減法，僅將坡體結(jié)構(gòu)面巖體的抗剪強(qiáng)度除以一個(gè)折減系數(shù)Fs，以達(dá)到強(qiáng)度折減的目的，直到有限元計(jì)算不收斂為止，并結(jié)合塑性區(qū)是否貫通和是否發(fā)生較大位移進(jìn)行分析判定，根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面，此時(shí)的折減系數(shù)Fs即為邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)[9-11]。局部強(qiáng)度折減法相比于傳統(tǒng)整體強(qiáng)度折減法，只考慮對結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的折減，更符合工程實(shí)際。邊坡巖體采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，局部強(qiáng)度折減法計(jì)算公式為：

式中，c和φ為結(jié)構(gòu)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角；c'和φ'為折減后的粘聚力和內(nèi)摩擦角；Fs為強(qiáng)度折減系數(shù)。

3 有限元計(jì)算過程

東風(fēng)水庫位于湖南省隆回縣西洋江鎮(zhèn)遠(yuǎn)山村，距隆回縣城52km，距西洋江鎮(zhèn)12km，水庫總庫容788萬m3。庫區(qū)兩岸大部分為斜坡山地，河流階地不發(fā)育，庫岸主要為高陡巖質(zhì)邊坡，坡角為30°～35°，巖性以Ⅲ類巖體為主。邊坡內(nèi)部含有一條貫通的軟弱夾層，導(dǎo)致水庫邊坡穩(wěn)定性較差，需對其進(jìn)行加固處理。

選取水庫典型斷面，通過CAD軟件建立含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡二維模型，導(dǎo)入Plaxis中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高計(jì)算精度，對軟弱結(jié)構(gòu)面附近巖體進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。巖質(zhì)邊坡CAD模型見圖1，巖體材料為Ⅲ類巖體，有限元網(wǎng)格及邊界條件如圖2所示。計(jì)算模型長100m，寬60m，邊坡坡高45m，坡角 34°。模型建好后，需對邊坡巖土參數(shù)進(jìn)行選取，計(jì)算參數(shù)的選取將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不斷修正巖土計(jì)算參數(shù)，得到邊坡巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

采用Plaxis軟件中自帶的板單元模擬抗滑樁，選用彈性材料模擬，主要參數(shù)包括軸向剛度EA和抗彎剛度EI，軸向剛度EA表示為抗滑樁單位寬度受力，單位kN/m，抗彎剛度EI表示單位寬度力乘長度的平方，單位kN·m2/m。根據(jù)EI對EA的比值，可以按下式自動(dòng)計(jì)算出抗滑樁等效厚度d：

圖1 巖質(zhì)邊坡加固模型

圖2 邊坡有限元網(wǎng)格模型及邊界條件

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

圖3 坡腳點(diǎn)水平位移隨折減系數(shù)變化

圖4 不同工況下巖質(zhì)邊坡破壞情況

圖5 不同工況邊坡塑性點(diǎn)和拉斷點(diǎn)

圖6 抗滑樁剪力分布,最大值4170kN

圖7 抗滑樁彎矩分布,最大值3080 kN·m

計(jì)算模型中抗滑樁長20m，軸向剛度EA為 2×106 kN/m，抗彎剛度 EI為8000kN·m2/m，換算可得抗滑樁等效厚度d為0.22m，泊松比取0.18。抗滑樁與邊坡巖土體之間的相互作用采用軟件中的界面單元模擬。

4 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

4.1 穩(wěn)定安全系數(shù)分析

安全系數(shù)的大小直接反映了邊坡整體穩(wěn)定性高低。本文采用局部強(qiáng)度折減法，不斷折減軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，通過反復(fù)迭代試算，并監(jiān)測坡腳位置的水平位移變化情況，得到了坡腳點(diǎn)水平位移隨折減系數(shù)的變化情況，如圖3所示。分析圖3可知，邊坡不加固時(shí)，折減系數(shù)為1.25時(shí)位移發(fā)生突變，此時(shí)可認(rèn)為邊坡開始滑裂破壞，得到邊坡自然條件下安全系數(shù)為1.25；而當(dāng)邊坡采用抗滑樁加固后，折減系數(shù)為1.80時(shí)才發(fā)生位移突變，即加固后邊坡的安全系數(shù)為1.80。

為進(jìn)一步分析巖質(zhì)邊坡不加固和加固工況的破壞情況，圖4給出了兩種工況下邊坡的破壞情況，其中圖4（a）為巖質(zhì)邊坡自然狀態(tài)下的危險(xiǎn)滑裂面，可以看出巖質(zhì)邊坡破壞時(shí)是沿著軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞，此時(shí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.25，邊坡穩(wěn)定性差，存在滑坡的可能，需及時(shí)采取相應(yīng)的加固措施。而圖4（b）為抗滑樁加固后的邊坡破壞圖，此時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)1.80，說明抗滑樁加固后，邊坡整體穩(wěn)定性得到較大提升，抗滑樁加固效果比較明顯。

4.2 邊坡塑性點(diǎn)和拉斷點(diǎn)分析

邊坡的塑性區(qū)是否貫通常用于判定邊坡是否能保持自身穩(wěn)定，而拉斷點(diǎn)范圍則反映了巖土體受拉破壞的程度。利用Plaxis后處理工具導(dǎo)出了兩種工況邊坡的塑性點(diǎn)和拉斷破壞點(diǎn)分布范圍，如圖5所示，圖中紅色點(diǎn)和白色點(diǎn)分別代表塑性點(diǎn)和拉斷點(diǎn)。分析圖5(a)可知，不加固時(shí)，邊坡塑性區(qū)貫通軟弱夾層，且由于軟弱夾層內(nèi)巖土體不具有抗拉強(qiáng)度，內(nèi)部部分巖體將受拉并發(fā)生破壞，邊坡穩(wěn)定性較差，與上述穩(wěn)定安全系數(shù)分析吻合；分析圖5(b)可知，當(dāng)邊坡采用抗滑樁加固后，抗滑樁將滑坡體和基巖連接成一個(gè)整體，邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)塑性區(qū)范圍大大減少，僅存在少數(shù)塑性點(diǎn)分布在軟弱夾層內(nèi)部，而拉斷破壞點(diǎn)將基本消失。分析結(jié)果表明，邊坡采用抗滑樁加固后，可有效的減少軟弱夾層內(nèi)部巖體的塑性區(qū)和拉破壞點(diǎn)分布范圍。

4.3 抗滑樁剪力和彎矩分析

為進(jìn)一步分析抗滑樁加固邊坡后樁體的受力情況，下圖6和圖7分別給出了巖質(zhì)邊坡模型中抗滑樁樁體的剪力和彎矩分布范圍。分析可知，抗滑樁剪力最大為4170 kN，而彎矩最大值為3080 kN·m，均未超過抗滑樁的允許值，且最大值發(fā)生在抗滑樁中部偏下位置，恰好位于軟弱夾層帶與抗滑樁的交匯處，并出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外，根據(jù)剪力和彎矩分布范圍分析可知：抗滑樁有效長度約為樁體中部，僅占樁體總長的1/2左右，上部和下部樁體部位僅承受很小的剪力和彎矩，說明抗滑樁上部和下部未能充分利用。因此，在具體施工過程中，建議采用下沉埋樁和減小樁長的施工工藝，即樁體埋入巖土體一定深度范圍內(nèi)，這樣既能夠保證邊坡的穩(wěn)定，又能減少樁長，節(jié)約加固成本。

以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合，加固前邊坡受軟弱夾層影響，穩(wěn)定性較差，安全系數(shù)僅為1.25，加固后安全系數(shù)增至1.80，邊坡穩(wěn)定性得到提高。計(jì)算中抗滑樁的加固參數(shù)以及剪力彎矩大小，均滿足工程設(shè)計(jì)要求，未超過抗滑樁的允許值，說明本文采用Plaxis模擬抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡是可行的，計(jì)算結(jié)果較為合理。

5 結(jié)論

本文基于有限元巖土軟件Plaxis，采用局部強(qiáng)度折減法對某含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了抗滑樁加固數(shù)值模擬計(jì)算，局部強(qiáng)度折減法僅考慮對結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明：Plaxis中的板單元能較好地模擬抗滑樁對邊坡的加固作用，通過有限元強(qiáng)度折減法可以得到不同工況邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)；并根據(jù)邊坡的塑性點(diǎn)和拉破壞點(diǎn)分布情況能夠準(zhǔn)確的反映邊坡的破壞機(jī)理和破壞模式，自動(dòng)搜索得到邊坡危險(xiǎn)滑裂面；結(jié)合抗滑樁剪力和彎矩分布情況，可以優(yōu)化抗滑樁的各項(xiàng)加固參數(shù)，節(jié)約成本，為類似邊坡工程的加固處理提供技術(shù)支持。陜西水利

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