黏聚力強度對滑面作用的差異分析

李晰　劉金孟

【摘 要】建立樁板墻支護滑坡的三維模型，以黏聚力為變量進行有限差分數值模擬，在c=0kPa到c=20kPa的計算結果表明：樁后ssi值減小，滑面ssi值增大，改善局部破壞；土拱層次減小，樁后水平力減小，利于樁板受力。較大的滑面黏聚力強度對有一定緩阻作用，能協調結構與滑體的力學效應。

【關鍵詞】滑動面；接觸面；黏聚力；數值模擬

滑動面為滑坡地貌的重要組成部分，在滑體穩定因素中起控制作用，通常呈上陡下緩。在長期地質作用下，滑體與滑床的分界面存在壓合、摩擦等各類影響。滑坡災害是山區建設中的重要工程地質和巖土工程問題[1]，對滑動面參數的影響研究則是應有之義。模擬是分析和解決復雜工程地質問題的有效手段[2]，數值技術可向工程設計及研究人員直接表達計算結果。本文利用數值軟件對滑坡模型進行計算和分析，探討滑面抗剪強度參數（黏聚力）對滑坡的影響規律。

1 模型概況

1.1 基本設置

采用實體單元建模。巖土體采用M-C剪切模型，樁板結構采用彈性模型。滑體-樁、滑體-板、滑床-樁、樁-板均建立無厚度的三角形接觸單元，用接觸面模擬滑動面。假定為天然工況，降雨暫不考慮。

1.2 模型建立

在SketchUp中獲取坐標[3]，利用有限差分軟件建模，在文獻[4]的基礎上加植了抗滑樁板墻，由此得到概化模型，如圖1所示。

采用平面應變模型，坡高30m，傾角37°，沿坡走向取3L距離（L為樁間距）。考慮土拱效應的L適宜值[5]，取4d（d=2m為樁截面邊長）。采用截面為d×d的方樁。樁長20m，嵌固段10m，擋土板厚度0.2m[6]。結合網格數量和計算時間，邊界按文獻[7]的建議優化設置，前后緣各取至20m，樁底至底邊20m。模型底部固定約束，前后側y向約束，左右側x向約束，其余為自由面。單元數共14760個，網格尺寸滿足精度要求。

1.3 材料參數

滑體密度ρ=2000kg/m3，黏聚力c=20kPa，內摩擦角φ=25°，彈性模量E=40MPa，泊松比υ=0.32；滑床ρ=2350kg/m3，c=60kPa，φ=45°，E=800MPa，υ=0.25；樁ρ=2500kg/m3，E=30GPa，υ=0.2；板ρ=2400kg/m3，E=25GPa，υ=0.2。滑面上如剪切剛度ks、法向剛度ks及c、φ等數值選取，根據實體單元強度參數計算而得，詳見文獻[8]接觸面理論。

2 工況計算

在其它參數不變的情況下，以滑面的黏聚力強度為變量，分別取c=0kPa、10kPa、20kPa等3種工況進行模擬。

2.1 切應變增量（ssi）

切應變增量結果如圖2所示。均可看出滑面的塑性區集中在樁后和滑面。

（1）黏聚力為c=0kPa時，滑面ssi值不大，約為2.0e-3～4.0e-3，而樁板后應力集中，最大增量值為1.714e-2，受剪嚴重；（2）在c=10kPa工況，滑面上ssi值約為4.0e-3～6.0e-3，樁板后最大增量值為1.299e-3；（3）在c=20kPa時，滑面上已達到6.0e-3～8.0e-3，樁板后為1.0e-3左右。這說明接觸面的黏聚力強度在逐步發揮黏合作用，對減輕樁板后壓力有益。ssi越大的區域破壞的可能性越大，因此較大的黏聚力值有助于平衡支護結構與滑體穩定。

2.2 土拱效應（sxx）

樁后土拱可以協調結構與滑體的工作效應，使其設計和經濟得到優化。對z=38m進行切片操作，取中間土拱觀察。

從圖3可清楚看到，在滑面黏聚力逐漸增大的情況下，水平土拱從明顯的3拱層次變為2拱和1拱，且最外層拱所受x向應力值從150～200kPa依次變為100～150kPa和100～50kPa。土拱效應發揮阻滑作用，但并非拱形越明顯層次越多就越利于支護結構受力。滑面抗剪強度增大以減少對樁板的下滑壓力，具有重要意義。因此，改善滑面（帶）的力學性質、減少其孔隙水壓力等是滑坡治理的方式選擇。

2.3 變形分析（dis）

設置各工況下的變形系數，輸出相應的水平位移云圖，如圖4所示。

圖4 xdis變形云圖

坡頂深色區域為滑體變形最大部分，從左至右依次為14～15.31cm、0.8～0.86cm、0.51～0.4cm。可見滑面c=0kPa時變形最為嚴重，接觸面未發揮黏聚力強度作用。樁板支護結構向前側傾斜程度很大，由于板厚為0.2m較樁體剛度小，因此受到上部滑體壓力較大而向樁前凸出。而c=20kPa工況下，樁板結構的變形最小，滑體下滑變形最小。因此，接觸面的黏聚力強度值可以改善樁板墻結構的受力情況，對滑坡的變形有一定約束作用。

3 結語

在長期地質作用下，滑面（帶）充當滑體和滑床的中間媒介，且會受各種因素的影響。目前一致認為滑面（帶）的存在是滑坡形成的必要條件。在對滑坡工程的數值模擬應用中，往往不考慮或折減其抗剪強度參數值幅度，以致計算結果往往嚴重于實際情況。在工程設計階段也會因滑面的抗剪強度而顯得保守。從三種工況的差異分析來看，適當考慮接觸面的黏聚力，可以改善支護樁板后的滑土壓力，接觸面會發揮一定的緩阻作用，協調結構與滑體的力學作用。但如受地下水作用較為頻繁、存在滑動跡象等情況時應具體問題具體分析，結合實際情況來進行滑面黏聚力值的折減和賦零。

【參考文獻】

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[5]張建勛，陳福全，簡洪鈺.被動樁中土拱效應問題的數值分析[J].巖土力學，2004，25（2）：174-184.

[6]公路擋土墻設計與施工技術細則[M].中交第二公路勘察設計研究院有限公司，北京：人民交通出版社，2008：47-48.

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[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013：143-144.

[責任編輯：王楠]