某滑坡治理方案的三維數(shù)值模擬分析

宋民崇，余云燕，郭　陽(yáng)，袁國(guó)柱

（1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

某滑坡治理方案的三維數(shù)值模擬分析

宋民崇1，余云燕2，郭陽(yáng)1，袁國(guó)柱1

（1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

結(jié)合某滑坡實(shí)際工程背景，運(yùn)用軟件建立簡(jiǎn)化三維模型，分析其穩(wěn)定性，定量的分析滑坡體總體位移云圖和在主滑方向（即Y方向和Z方向）的位移云圖。在剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D中找出滑動(dòng)面的位置，從而為抗滑支擋結(jié)構(gòu)物的合理布設(shè)提供范圍，模擬預(yù)應(yīng)力錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固整治滑坡，并分析、評(píng)價(jià)治理效果。

滑坡；穩(wěn)定性分析；FLAC3D；數(shù)值模擬

0　引言

一般對(duì)滑坡治理措施的選取都是通過(guò)定性的分析[1]，從工程的適宜性，技術(shù)的可行性，投資收效比，施工難易程度等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，選取治理方案，但這樣的分析方法沒(méi)有定量的比較，而數(shù)值模擬分析恰好具備定量分析這一功能，在進(jìn)行分析時(shí)，可以應(yīng)用FLAC3D簡(jiǎn)化模型來(lái)討論，選取滑坡體典型剖面，建立簡(jiǎn)化三維模型，首先分析簡(jiǎn)化模型在自然條件下的穩(wěn)定性，分析其位移云圖，找出滑坡體的滑動(dòng)面。在簡(jiǎn)化三維模型上布設(shè)抗滑支擋結(jié)構(gòu)物，從而選出較為合理的治理措施。簡(jiǎn)化模型研究治理方案，不但能簡(jiǎn)化工作量，同時(shí)還可以排除地形因素的干擾，易于治理方案的橫向比較。

1　工程背景

某坡體位于甘肅隴南武都地區(qū)，地處西南山地，地形特殊而復(fù)雜。本地區(qū)總體地勢(shì)西北高，東南低，海拔高程700～2 500 m，相對(duì)高差為1 000～1 500m。境內(nèi)山高谷深，峰巒起伏，群山環(huán)繞，溝壑縱橫，山勢(shì)陡峻，地層破碎，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜地震活動(dòng)頻繁且強(qiáng)度大，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國(guó)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)之一，見(jiàn)圖1。

2　計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)資料建立三維簡(jiǎn)化計(jì)算模型，邊坡前緣的腳點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn) (0,0,0)，X方向沿著坡腳方向向右為正，Y方向以滑動(dòng)向前為負(fù)，Z向上為正，向下為負(fù)，高度為150 m，邊坡長(zhǎng)150 m，寬150 m，計(jì)算模型選取滑坡體典型剖面，將其拖拉20 m，形成簡(jiǎn)化三維模型，初始地應(yīng)力為自重地應(yīng)力場(chǎng)。邊界條件為：X、Y、Z方向?yàn)楣潭s束，滑坡體主要由碎石土組成，滑床主要由板巖構(gòu)成。計(jì)算參數(shù)選取根據(jù)勘測(cè)資料按照表1取值，計(jì)算工況為天然狀態(tài)。

圖1　某滑坡工程地質(zhì)縱斷面圖

在計(jì)算巖土體的剪切模量和體積模量時(shí)，應(yīng)根據(jù)式（1）計(jì)算：

簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1穩(wěn)定性分析

本文應(yīng)用 FLAV3D三維仿真軟件計(jì)算，TECPLOT圖形處理軟件出圖，下面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。依據(jù)表1中的滑坡體參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)化三維模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出滑坡的安全系數(shù)為0.99，并整理出一系列位移云圖，以便與治理后位移云圖進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)治理效果[2]。

表1　巖土體力學(xué)參數(shù)

圖2　簡(jiǎn)化模型示意圖

圖3　簡(jiǎn)化模型總體位移云圖

圖4　總體位移中線(xiàn)剖面位移云圖

圖5　滑坡體Y方向總體位移云圖

圖6　滑坡體Y方向中線(xiàn)剖面位移云圖

圖7　滑坡體Z方向位移云圖

圖8　滑坡體Z方向中線(xiàn)剖面位移云圖

圖9和圖10分別為剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D和中線(xiàn)剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D，由這兩個(gè)云圖可以看出滑坡體的滑動(dòng)面的位置，綜合前面的位移云圖，可以為治理措施位置的選取提供依據(jù)[3]，其中最為主要的一點(diǎn)就是給出滑坡體滑動(dòng)面的位置，從而為抗滑支擋結(jié)構(gòu)物的布設(shè)提供可選范圍。

圖9　剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖10　中線(xiàn)剖面剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

3.2預(yù)應(yīng)力錨索框架的數(shù)值模擬

預(yù)應(yīng)力錨索框架這種結(jié)構(gòu)形式主要是利用了預(yù)應(yīng)力錨索、框架梁作為承力和傳力構(gòu)件的特性[4]，即通過(guò)框架梁承受巨大的錨索預(yù)應(yīng)力并且將其傳遞到被錨固的地層中，從而起到對(duì)坡體加固的作用。

在簡(jiǎn)化三維模型中，根據(jù)滑動(dòng)面的具體位置，及相應(yīng)的規(guī)范，在整個(gè)坡面20 m范圍內(nèi)，布設(shè)兩組錨索框架，框架橫梁長(zhǎng)8 m，上排橫梁與下排橫梁之間的距離為4 m,豎梁長(zhǎng)8 m，一組框架內(nèi)的左右兩根豎梁之間的距離為4 m。橫梁與豎梁的界面尺寸均為0.7 m×0.7 m，采用C25混凝土澆筑，彈性模量取3E10Pa，泊松比取0.2，預(yù)應(yīng)力錨索的錨固角為25°，鋼筋采用6Φ15.24高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)制作，上排預(yù)應(yīng)力錨索自由段為20 m，下排為18 m，錨固段長(zhǎng)度取10 m，施加預(yù)應(yīng)力為720 kN。

圖11為框架錨索布設(shè)位置剖面示意圖，圖12為框架錨索布設(shè)位置三維示意圖及相應(yīng)的位移云圖，圖13為框架錨索應(yīng)力云圖。由圖11和圖12可以看出框架錨索的布設(shè)位置。

圖11　框架錨索布設(shè)位置剖面示意圖及位移云圖

圖12　框架錨索布設(shè)位置三維示意圖及位移云圖

圖13　框架錨索應(yīng)力云圖

圖14和圖15分別為治理后總體位移云圖和治理后中線(xiàn)剖面總體位移云圖。由這兩張圖可以看出，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索框架加固后，滑坡體的最大位移為0.02 cm，最大位移集中在坡面預(yù)應(yīng)力錨索框架布設(shè)處，并向四周逐漸減小。與未治理時(shí)滑坡位移比較可以看出，滑坡體最大位移由19 cm降至0.02 cm，治理效果十分顯著。

圖14　治理后總體位移云圖

圖15　治理后中線(xiàn)剖面總體位移云圖

3.3預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的數(shù)值模擬

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是一種采用錨索和樁共同受力來(lái)抵抗滑坡推力的復(fù)合型受力結(jié)構(gòu)[5]。它能變一般抗滑樁的被動(dòng)抗滑結(jié)構(gòu)為主動(dòng)抗滑結(jié)構(gòu)，改變懸臂式抗滑樁不合理的受力狀態(tài)，是一種全新而有力的新型抗滑結(jié)構(gòu)，在普通抗滑樁頂部設(shè)置一排或多排錨索并施加預(yù)應(yīng)力，受力形式類(lèi)似于上端鉸支和下端彈性固結(jié)的梁式受力結(jié)構(gòu)，比普通抗滑樁的懸臂梁受力形式更加合理，在實(shí)際工程中得到了推廣應(yīng)用。

根據(jù)實(shí)際的模型和相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，錨索自由段取20 m，錨索錨固段取10 m，錨固角取25°，鋼筋采用6Φ15.24高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)制作，施加預(yù)應(yīng)力為720 kN，根據(jù)滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，抗滑樁間距(中對(duì)中)宜為5～10 m，抗滑樁的嵌固段應(yīng)嵌入滑床中，約為樁長(zhǎng)的1/3～2/5，抗滑樁的截面形狀應(yīng)以矩形為主，截面寬度一般為1.5～2.5 m，截面長(zhǎng)度一般為2.0～4.0 m，因此本文樁截面尺寸取1.6 m×2 m，樁長(zhǎng)取26 m(嵌入滑床9 m)，樁間距取6 m，采用C25混凝土澆筑，樁體材料彈性模量取3E10 Pa，泊松比為0.2，樁位的選擇根據(jù)滑坡推力及實(shí)際模型確定。

圖16為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置剖面示意圖及位移云圖，圖17為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置三維示意圖及位移云圖，由圖16和圖17可以看到預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)的平面位置和三維空間位置。

圖16　預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置剖面示意圖及位移云圖

圖17　預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置三維示意圖及位移云圖

圖18和圖19分別為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁平面應(yīng)力云圖和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁三維應(yīng)力云圖，由這兩張圖可以看出預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁各部分發(fā)揮的作用及受力的狀況。

圖18　預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁應(yīng)力平面云圖

圖19　預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁三維應(yīng)力云圖

圖20和圖21分別為治理后總體位移云圖和治理后總體位移中線(xiàn)剖面云圖，由圖20和圖21可以看出，滑坡體經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固整治后，最大位移由19 cm降至0.009 5 cm，治理效果十分顯著。

圖20　治理后總體位移云圖

圖21　治理后總體位移中線(xiàn)剖面云圖

由以上分析結(jié)果可知，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固整治后，滑坡最大位移由19 cm降至0.009 5 cm，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索框架加固后，滑坡體的最大位移降至0.02 cm。

4　結(jié)　論

（1）建立簡(jiǎn)化三維模型，分析其在天然條件下的穩(wěn)定狀態(tài)，得到滑坡安全系數(shù)為0.99，總體最大位移為19 cm，此時(shí)滑坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D中找到滑動(dòng)面(或潛在滑動(dòng)面)的位置。

（2）應(yīng)用軟件，模擬預(yù)應(yīng)力錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁整治滑坡，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索框架治理后滑坡體的最大位移由19 cm下降到0.02 cm，經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁治理后滑坡體的最大位移降至0.009 5 cm，這兩種治理措施效果都十分顯著。

（3）預(yù)應(yīng)力錨索框架是預(yù)應(yīng)力錨索與混凝土框架梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮錨索和框架梁的錨固作用；預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁綜合了預(yù)應(yīng)力錨索和抗滑樁二者的優(yōu)點(diǎn)，在樁上設(shè)置一排或多排錨索，并對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，將錨索錨固在穩(wěn)定的基巖中,以達(dá)到阻止邊坡滑動(dòng)的目的，通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁共同承受滑坡推力，兩者有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，從而更有效地加固坡體。

預(yù)應(yīng)力錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁已經(jīng)被大量工程實(shí)踐證明為是十分有效的治理滑坡的措施，與普通的抗滑樁相比，這兩種結(jié)構(gòu)充分的改善了結(jié)構(gòu)體的受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)體變被動(dòng)抗滑為主動(dòng)抗滑，極大地提高了治理滑坡的效果。

[1]王恭先,徐峻齡,劉光代,等.滑坡學(xué)與滑坡防治技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[2]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2009.

[4]賈金青,鄭衛(wèi)鋒,陳國(guó)周.預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)技術(shù)的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(21):3979-3982.

[5]洪濱.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué), 2007.

TU457

A

1009-7716（2016）03-0139-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.041

2015-11-11

宋民崇（1983-），男，吉林農(nóng)安人，工程師，從事道路、橋梁設(shè)計(jì)與科研工作。