降雨條件下的滑坡-抗滑樁作用機理數值分析

徐水平，佟 新， 馮 永

(1.河南水利與環境職業學院，鄭州 450008；2河南工業大學土木建筑學院，鄭州 450001)

1 工程概況

1.1 工程概況

漳龍鐵路于1998年4月8日正式動工，是國家1998年重點建設的工程，全長147.76 km，國家Ⅱ級鐵路干線，總投資26.3 億元，由鐵道部、廣東省和福建省合資修建的鐵路。漳龍鐵路廣東段長99.78 km，投資為16.96 億元，由廣梅汕鐵路有限責任公司負責建設和運營管理。

漳龍鐵路茶陽車站位于鐵路運營里程樁號漳龍線K160+350～K161+100，線路長0.76 km。而研究范圍內現在由于人為的工程開挖及自然降雨，產生了一新滑坡。該滑坡的產生，直接導致了農田的鼓丘和凹陷，鐵路軌道的位移和沉降，根據上述一系列巖土體滑動的痕跡，綜合判斷巖土體處于欠穩定～不穩定狀態，有再次發生滑動可能性。

1.2 地層條件

根據勘察資料，場區內地層情況從地表起自上而下依次如表1所示。

1.3 滑坡體抗滑樁方案設計

為了確保車站及鄰近建筑物的安全，按照初步確定的治理方案，在距離鐵路紅線7.5 m(距離鐵路中心線32.5 m)處設置抗滑樁截面初定矩形樁，樁長最小值為35 m，最大值為42 m。要求抗滑樁工程的設計和施工必須安全可靠、整體穩定。

2 滑坡體-抗滑樁作用體系的三維分析

ABAQUS是一套功能強大的有限元軟件，解決包括相對簡

表1 土層力學性質參數

單的線性分析到工程復雜的非線性問題。

ABAQUS包括一個多樣的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。擁有多種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土以及土壤和巖石等地質材料，這使得ABAQUS軟件在處理巖土力學中復雜的非線性問題有其本身的優勢。

2.1 土體本構模型選用及相關參數

本次模擬采用(非飽和土)巖土體選取Mohr-Coulomb(摩爾庫倫)的本構模型，巖土體參數，見表1土層力學性質參數。

材料滲透系數與基質吸力的關系為：

kw=awkws/[aw+(bw(ua-uw))cv]

(1)

式中：ua為大氣壓力，由于與坡面接觸，故取為0；kws是土體飽和時的滲透系數，取5.0×10-6m/s；aw、bw、cw是材料系數，分別取為1 000,0.01,1.7。

飽和度與基質吸力的關系為：

sr=si+(sn-si)as/[as+[as+(bs×(ua-uw))cs]

(2)

式中：Sr為飽和度；Si為殘余飽和度，其值取為0.08；Sn為最大飽和度，取1；as、bs、cs是材料系數，取為1,0.000 05,3.5。

2.2 降雨模型

表2給出了氣象部門規定的降雨量標準，本文中對降雨量的考慮參照表3選取，結合研究區實際情況，確定為4種降雨模式(表3及圖1)。

表2 降雨量標準

圖1 不同模式下的降雨過程曲線

編號降雨等級雨強/(mm·d-1)降雨歷時/h降雨量/mm模式一無雨000模式二大雨402440模式三大暴雨10024150模式四大雨4072150

2.3 ABAQUS數值分析模型的建立

根據地質分析，邊坡地質模型可概化為：雜填土、粉質黏土層、全風化砂巖、中風化綠簾石巖，三維地質模型范圍平行于滑

體主軸方向為767 m(X軸方向)， 垂直于滑體主軸方向為450 m(Y軸方向)，垂直方向最高為105～273 m(Z軸方向，高程為0～167 m)，前后兩面(滑坡移動方向)約束X、Y方向的位移，兩側面約束Y方向的位移，底面約束三個方向的位移，地表為自由面。考慮自重、地表荷載，計算工況為表4所列的工況，水位的作用采用程序中的滲流模式進行模擬。模擬過程中的土力學參數見表1。模型PAT是有犀牛軟件生成的文件后導入國際通用有限元軟件ABAQUS進行前處理分析的，計算模型如圖2所示，共劃分5 430個單元，24984個節點。

圖2 巖土體三維計算模型

3 作用體系的三維分析結果

3.1 降雨作用下孔隙壓力的結果分析

滑坡的孔隙水壓力如圖3所示，從圖3中可以看出降雨入滲以后的孔壓分布圖跟初始的孔壓分布有著明顯的區別，降雨之前孔壓隨地層成線性分布，但之后巖土體頂部、中部及坡面以下一定范圍內孔隙水壓力明顯升高，吸力區域減小，基質吸力也降低，同時，在降雨過程中圖3(a)、(b)、(c)巖土體內部均未達到的飽和還都是負壓力區，但在圖4(d)中巖土體中部及坡面以下一定范圍內孔隙壓力已出現正值，說明此時滑坡體已出現飽和區。

圖3 各個模式下的孔隙水壓分布圖

現已檢測點2作為研究對象，做出不同模式下J02點處的孔隙水壓曲線，如圖5。圖5中模式一、二、三在24 h時孔隙水壓分別為-2 108.1，-167.4，-143.2 kPa都還小于零，而模式四在72 h時為84.1 kPa已經大于零，由此可驗證上述結論的正確性。

圖4 各個模式下J02處的孔隙水壓力曲線

同樣，通過已有的檢測點來看模式四各個監測點的孔隙水壓力變化曲線，如圖5。

圖5 孔隙水壓力變化曲線

通過圖5同樣可以驗證圖3得出的結論，圖5中J02最后孔隙壓力為84.1 kPa，已是正值，說明此時滑坡體已經飽和，隨時都有可能出現滑坡危險的可能。

3.2 降雨作用下巖土體的位移分析

滑坡的水平位移如圖3所示，在模式二下坡頂、坡底的水平位移較大，而隨著降雨量的加大及降雨時長的增加，坡體水平位移的最大值由坡頂坡底逐漸過度到坡中水平位移最大說明降雨入滲后，巖土體的孔隙壓力增加，有效應力減小導致坡體中部由于重力的影響而水平位移加大。同時可以看出坡中出現一定的膨脹，這主要是因為降雨導致滑坡體飽和度的增大而吸力有所降低同時有效應力減小，從而出現卸荷回彈現象。這也是為什么圖3中坡中會先出現滑坡現象的原因。

圖6 各個模式下的水平位移圖

現在通過已有的檢測點來看模式四各個監測點的水平位移變化曲線，如圖7。

圖7 水平位移變化曲線

通過圖7可以看出，隨著降雨量的加大及降雨時長的增加，J01水平位移由-0.005 9 m增加到-0.000 5 m，而J02由-0.017 8 m增加到0.059 8 m，J02位移增長率大于J01的增長率，由此可以驗證圖7坡體水平位移的最大值由坡頂坡底逐漸過度到坡中水平位移最大的結論，說明降雨入滲后，滑坡體的孔隙壓力增加，有效應力減小導致坡體中部由于重力的影響而水平位移加大。

3.3 降雨作用對土拱效應的影響

滑坡的最大自主應力等值線云圖如圖8所示，從圖8中可以看到隨著降雨量的加大及降雨時長的增加，土拱效應作用逐漸減弱。這是因為隨著降雨入滲土體孔壓增大，飽和度也隨著增加，巖土體的抗剪強度因有效應力減小導致土拱作用的減弱。

圖8 各個模式下的最大主應變等值線

同樣，在模型四選取模型左邊第1、2根抗滑樁樁中心線垂直Y軸的剖面上(選取7個監測點)X方向應變作為研究對象，繪制出圖9。

圖9 最大主應變變化曲線

通過圖9可以驗證圖8的結論：隨著降雨量的加大及降雨時長的增加，12 m處的最大主應力等值線基本不變，而6 m處的受到了一定的影響說明應變拱半徑最大可以到達6 m處，而12 m處基本不受影響。另外，從3、0、-3 m最大主應變變化曲線可以看出從6 h到48 h最大主應變曲線一直減小說明土拱效應起作用，到達48 h的時候土拱效應起最大作用隨后應變急劇增加，此時土拱效應破壞。

3.4 三維空間的土拱效應分析

由圖8可以看出由于受到土拱效應的影響,滑體的最大主應變在抗滑樁前后發生了顯著的變化,在圖10中可見樁后應力影響的范圍自上而下逐漸減小,表明土拱效應的影響范圍會隨著滑體深度增加逐漸的變小，因此,在抗滑樁程實踐中,應考慮到土拱效應隨滑體的深度逐漸減弱的規律,并根據土拱作用的影響范圍進行抗滑樁的設計。

圖10 各個模式下抗滑樁處橫切面最大主應變等值線

同樣，在模型四下取計算模型抗滑樁處橫切面左邊第1、2根抗滑樁樁中心線垂直Y軸的剖面上(選取4個監測點)X方向應變作為研究對象，繪制出圖11。

圖11 最大主應變變化曲線

通過圖11可以驗證圖10的結論：隨著降雨量的加大及降雨時長的增加，-9 m處的最大主應力等值線基本不變，而0、-3、-6 m處在降雨到達48 h之前各個曲線是下走的趨勢，這是因為土拱起作用的原因，而且各個斜率不一，0 m處最大而-6 m處最小可以，-9 m處基本不受影響，表明土拱半徑在-6 m左右，在-9 m處土拱影響不到。另外，在從48 h之后各個曲線走勢開始走高，說明此時土拱已經破壞，有隨時發生滑坡災害的可能。

4 結 語

(1)通過對降雨作用下孔隙壓力結果的分析得出：降雨入滲后的孔壓分布跟初始孔壓分布有著明顯的區別，降雨之前孔壓隨地層成線性分布，但之后坡面以下一定范圍內孔隙水壓力出現明顯變化，吸力區域減少，基質吸力降低。同時，在降雨過程中，非飽和土會有從負壓力區轉變到正壓力區，當到一定程度時隨時可能會發生滑坡地質災害。

(2)通過對降雨作用下巖土體位移分析得出：隨著降雨量的加大及降雨時長的增加，巖土體的孔隙壓力增加，有效應力

減小導致滑坡體由于重力的影響而水平位移加大。同時，在實際的巖土體會出現一定的膨脹現象，這主要是因為降雨導致邊坡飽和度增大而地質吸力有所降低，得有效應力減小從而出現卸荷回彈的現象。

(3)通過降雨作用對土拱效應的影響分析得出：隨著降雨入滲，孔隙壓力增大，飽和度隨著增加，巖土體的抗剪強度因有效應力減小導致土拱效應減弱。

(4)樁后應力影響的范圍自上而下逐漸減小,表明土拱效應的影響范圍會隨著滑體深度增加而逐漸減小。

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