基于FLAC3D的邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固處理分析

摘要：滑坡作為常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，研究邊坡的安全狀態(tài)和加固方法至關(guān)重要。文章以某山區(qū)斜坡地帶邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采用抗滑樁進(jìn)行加固處理，分析了改變抗滑樁樁長和樁間距時(shí)樁頂水平、豎向位移和邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：天然狀態(tài)下邊坡存在類似圓弧的潛在滑移面，邊坡處于亞穩(wěn)定狀態(tài);暴雨工況下最大位移值是天然狀態(tài)時(shí)的3.3倍，邊坡的安全系數(shù)為1.05，易發(fā)生滑坡，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)加護(hù)設(shè)計(jì);增加抗滑樁樁長可以有效地減小樁頂水平位移，而對(duì)樁頂豎向位移基本無影響，此時(shí)邊坡安全系數(shù)隨樁長的增加而增大，但改變幅度較小;隨著抗滑樁樁間距的減小，樁頂水平和豎向位移不斷減小，適當(dāng)減小樁間距可以有效增大邊坡安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：天然邊坡;穩(wěn)定性;抗滑樁;位移

0 引言

滑坡作為常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，研究天然邊坡的安全狀態(tài)和加固方法至關(guān)重要。在我國西部一些山區(qū)，由于公路及鐵路的建設(shè)，很多鄰近道路的天然邊坡需要進(jìn)行安全評(píng)估及加固處理。再者，這些地區(qū)在夏季很容易出現(xiàn)暴雨等極端工況，使得邊坡的安全狀況堪憂。基于此，國內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如吳平等人[1]結(jié)合某山斜坡治理工程，采用FLAC3D軟件對(duì)該斜坡采用錨桿抗滑樁加固后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果表明邊坡加固方案可行;陳樂求等人[2]采用計(jì)算機(jī)語言編制邊坡在抗滑樁加固情況下的穩(wěn)定性程序，并用FLAC3D的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過抗滑樁支護(hù)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析;徐翔、俞剛、樓金其等人[3-5]利用FLAC軟件對(duì)抗滑樁加固滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并分析了滑坡支護(hù)前后的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)分布;黃云浩、王大偉等人[6-7]采用Plaxis有限元軟件，利用局部強(qiáng)度折減法對(duì)某巖質(zhì)邊坡的抗滑樁加固處理進(jìn)行數(shù)值模擬分析等。

本文主要以某山區(qū)斜坡地帶邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，判斷該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的穩(wěn)定性狀態(tài)，采用抗滑樁進(jìn)行加固處理，并分析改變抗滑樁樁長和樁間距時(shí)樁頂水平和豎向位移與邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為類似地區(qū)邊坡加固處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

某邊坡位于山區(qū)斜坡地帶，由于臨近省道且該地區(qū)在夏季易出現(xiàn)暴雨等極端天氣，嚴(yán)重威脅著人們生命與財(cái)產(chǎn)安全。通過現(xiàn)場(chǎng)勘探，該邊坡整體長度約為160 m，寬度為300 m左右，基巖以上邊坡高度約為60 m。地質(zhì)報(bào)告顯示，該處地層主要包括第四系全新統(tǒng)晚期沖洪積物、第四系全新統(tǒng)晚期早洪積物、第四系全新統(tǒng)滑坡堆積物、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積物、第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積物、新近系泥巖以及三疊系上統(tǒng)砂巖永坪組。為了判斷該處邊坡的穩(wěn)定性以及為滑坡處理提供參考，下文利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行分析。

2 數(shù)值建模

如圖1所示，為利用大型有限差分軟件FLAC3D建模得到的數(shù)值模型圖。模型長度為200 m（x方向）、寬度取20 m（y方向）、高度為100 m（z方向）。模型單元格總數(shù)量為1.6萬個(gè)，并將模型的水平方向以及模型底部進(jìn)行位移鎖定和控制邊界。本文采用莫爾-庫倫作為本構(gòu)模型，取剪脹角為零。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，將模型土體分為5個(gè)部分，分別為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積物（Qeol2）、新近系泥巖（Ng）、第四系全新統(tǒng)晚期早洪積物（Qlal+pl4）、三疊系上統(tǒng)砂巖（T3W）以及第四系全新統(tǒng)滑坡堆積物（Qdel4）。具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，包括天然狀態(tài)和暴雨工況兩種。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 天然狀態(tài)和暴雨工況下的數(shù)值分析

3.1.1 天然狀態(tài)下的數(shù)值分析

判斷邊坡潛在滑移面的方法有很多，其中最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D是非常有用的一種。為了分析天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性，如圖2所示，將該邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D提取出來。由圖2可知，在圖中箭頭所指位置，存在細(xì)條帶，該條帶的最大剪應(yīng)變?cè)隽棵黠@大于周圍土體，尤其在坡頂?shù)奈恢茫畲蠹魬?yīng)變?cè)隽扛鼮槊黠@。為了更加細(xì)致地描述，如圖3所示，將邊坡位移云圖提取出來。由圖3可知，存在一個(gè)類似圓弧帶的位置，其上方土體位移明顯大于其他位置，最大位移值達(dá)2.3 cm。根據(jù)強(qiáng)度折減法，邊坡的安全系數(shù)為1.15。一般情況下，認(rèn)為安全系數(shù)FS>1.2是穩(wěn)定的，此時(shí)，可以認(rèn)為該邊坡在天然狀態(tài)下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 暴雨工況下的數(shù)值分析

如圖4所示，為暴雨工況下的邊坡位移云圖。由圖4可知，同樣存在一個(gè)類似圓弧帶的位置，其上方土體位移明顯大于其他位置，最大位移值達(dá)7.6 cm，是天然狀態(tài)時(shí)的3.3倍。此時(shí)，根據(jù)強(qiáng)度折減法得到邊坡的安全系數(shù)為1.05。此時(shí)，邊坡不穩(wěn)定，很容易發(fā)生滑坡，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)加護(hù)設(shè)計(jì)。

3.2 抗滑樁作用下的數(shù)值分析

本工程采用抗滑樁加固邊坡，如圖5所示，為加抗滑樁時(shí)數(shù)值數(shù)值模型圖。抗滑樁的力學(xué)參數(shù)如表2所示，抗滑樁的位置點(diǎn)在模型節(jié)點(diǎn)（118，2，63.261）處。樁體采用樁單元結(jié)構(gòu)模型。下文分別改變樁長L與樁間距d對(duì)該滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)研究。

3.2.1 不同樁長L時(shí)數(shù)值結(jié)果分析

為了分析樁長的影響，將樁間距設(shè)置為10 m且保持不變。如圖6所示，為改變樁長度L時(shí)的樁頂水平位移曲線。由圖6可知，隨著樁長的增大，樁頂水平位移在到達(dá)104時(shí)間步時(shí)基本處于穩(wěn)定。文中取樁長分別為16 m、18 m、20 m、22 m和24 m，最終，樁頂水平位移對(duì)應(yīng)分別為4.38 mm、3.34 mm、2.81 mm、2.17 mm和2.02 mm，隨著樁長的增加，樁頂水平位移不斷減小，相對(duì)于16 m樁長，樁長為24 m時(shí)樁頂水平位移減小了49.5%。由此可知，增加樁長可以有效地減小樁頂水平位移。

如圖7所示，為改變樁長度L時(shí)的樁頂豎向位移曲線。文中同樣取樁長分別為16 m、18 m、20 m、22 m和24 m，最終，樁頂豎向位移對(duì)應(yīng)分別為7.47 mm、7.35 mm、7.24 mm、7.42 mm和7.32 mm，隨著樁長的增加，樁頂豎向位移基本沒有發(fā)生變化。由此可知，增加樁長對(duì)樁頂豎向位移基本無影響。

為了更加直觀地反映邊坡安全系數(shù)隨樁長的變化趨勢(shì)（如圖8所示），給出邊坡安全系數(shù)隨樁長的變化規(guī)律。如圖所示，當(dāng)樁長為16 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.131，而當(dāng)樁長為26 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.180。邊坡安全系數(shù)隨樁長的增加而增大，但改變幅度并不大。

3.2.2 不同樁間距d時(shí)數(shù)值結(jié)果分析

為了探究樁間距d的影響，將樁長設(shè)置為20 m且保持不變。如圖9所示，為改變樁間距d時(shí)的樁頂水平位移曲線。由圖9可知，隨著間距d的增大，樁頂水平位移在到達(dá)104時(shí)間步時(shí)基本處于穩(wěn)定。文中取樁間距分別為4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，最終，樁頂水平位移對(duì)應(yīng)分別為0.98 mm、1.16 mm、1.19 mm、1.22 mm和1.25 mm，隨著樁間距的減小，樁頂水平位移不斷減小，相對(duì)于樁間距8 m，樁間距為4 m時(shí)樁頂水平位移減小了21.6%。由此可知，增加樁間距可以減小樁頂水平位移。

如圖10所示，為改變樁間距d時(shí)的樁頂豎向位移曲線。文中同樣取樁間距分別為4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，最終，樁頂豎向位移對(duì)應(yīng)分別為1.28 mm、1.51 mm、1.62 mm、1.67 mm和1.76 mm，隨著樁間距的增加，樁頂豎向位移基本沒有發(fā)生變化。隨著樁間距的減小，樁頂豎向位移不斷減小，相對(duì)于樁間距8 m，樁間距為4 m時(shí)樁頂豎向位移減小了27.3%。由此可知，增加樁間距可以減小樁頂豎向位移。

為了更加直觀地反映邊坡安全系數(shù)隨樁間距的變化趨勢(shì)，如圖11所示，給出邊坡安全系數(shù)隨樁間距的變化規(guī)律。當(dāng)樁間距為4 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.250，而當(dāng)樁間距為9 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)為1.146。邊坡安全系數(shù)隨樁間距的增加而減小。綜上可知，適當(dāng)?shù)販p小樁間距可以增大邊坡安全系數(shù)。

4 結(jié)語

本文以某山區(qū)斜坡地帶邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采用抗滑樁進(jìn)行加固處理，具體分析改變抗滑樁樁長和樁間距時(shí)樁頂位移和邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）天然狀態(tài)下邊坡存在類似圓弧的潛在滑移面，最大位移值達(dá)2.3 cm，邊坡的安全系數(shù)為1.15，此時(shí)該邊坡處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨工況下最大位移值達(dá)7.6 cm，是天然狀態(tài)時(shí)的3.3倍，邊坡的安全系數(shù)為1.05，此時(shí)邊坡不穩(wěn)定，易發(fā)生滑坡，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)加護(hù)設(shè)計(jì)。

（2）隨著抗滑樁樁長的增加，樁頂水平位移不斷減小，相對(duì)于樁長16 m，樁長為24 m時(shí)樁頂位移減小了49.5%，增加樁長可以有效地減小樁頂水平位移，而增加樁長對(duì)樁頂豎向位移基本無影響。邊坡安全系數(shù)隨樁長的增加而增大，但改變幅度較小。

（3）隨著抗滑樁樁間距的減小，樁頂水平和豎向位移不斷減小，相對(duì)于樁間距8 m，樁間距為4 m時(shí)樁頂水平位移減小了21.6%、豎向位移減小了27.3%。隨樁間距的減小，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，適當(dāng)?shù)臏p小樁間距可以增大邊坡安全系數(shù)。

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作者簡介：羅資清（1982—），工程師，主要從事交通土建工程工作。