基于數值模擬下的大房李家滑坡支護穩定性分析

王立猛

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽110136)

1 引言

滑坡的產生是一個長期復雜、各方面綜合作用下的結果，有產生歷程長，成因復雜等特征。滑坡的觸發需滿足一定的條件，總體可分為自然觸發條件和人為因素。其中，降雨是誘發邊坡失穩的重要因素[1]。強降雨通過土體表面下滲進入下部巖土體，通過改變邊坡巖土體的抗剪強度和應力狀態進而影響邊坡穩定性[2]。為了分析不同降雨類型以及疊加滑坡支護工程對邊坡穩定性的影響，本文以大房李家開挖路基滑坡為研究對象，在GeoStudio軟件中根據不同降雨模式進行滑坡穩定性模擬，分析在不同樁間距、樁面積、樁長下的穩定性，以此得到最優支護工況條件。

2 大房李家滑坡基本特征

2.1 大房李家滑坡概況

大房李家滑坡位于平涼至綿陽國家高速公路(G8513)平涼(華亭)至天水段，滑坡平面形態為“圈椅狀”，開挖后路基剖面形態為“臺階形”，海拔高程1 800～2 170 m，長約850 m，高約400 m，厚約40 m，體積約49.1×104m3，下滑方向310°。該區域出露的地層巖性有下三疊統夜郎組(T1y)發育的灰巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖等，基巖在區內露頭較少，出露的主要為泥巖以及灰巖。巖層產狀160°∠25°，巖層傾向斜緩傾坡內。

2.2 工程地質條件

大房李家滑坡區屬構造剝蝕中山地貌，山勢低緩，侵蝕切割程度中等，地勢為階梯狀斜坡，總體上是東部(滑坡后緣)高西部(滑坡前緣)低。該滑坡后緣高程約2 400 m，前緣剪出口高程約2 040 m(從2 000 m高程處開始建模)，相對高差約400 m。滑坡為一沿基覆界面滑移的土質滑坡，滑坡區后緣右邊有村道通過，滑坡后緣基巖裸露。

3 穩定性計算模型及工況

3.1 模型建立

本文采用GeoStudio軟件對大房李家滑坡在SEEP/W中進行不同降雨模式下的滲流場模擬，然后耦合到SLOPE/W進行穩定性計算，同時耦合到SIGMA/W進行位移計算，根據地質勘察資料與剖面圖建立滑坡的數值計算模型。將模擬的滑坡區域分為滑體、滑帶和基巖，將模型剖分成1 702個單元，共計1 775個節點，計算模型與網格如圖1所示[3]。巖土體力學參數主要有巖土體變形模量E、泊松比υ、容重γ、黏聚力c、摩擦角φ。參數的確定主要類比其他滑坡的物理力學參數綜合確定。表1為巖土體天然狀態下固結快剪下的物理力學參數。

圖1 計算模型與網格劃分圖

表1 巖土體力學參數表

3.2 不同降雨模式的影響

降雨模式是降雨強度隨時間變化的函數，在一次降雨過程中，并非所有的降雨量都會滲透進入坡體內，一部分以地表徑流的形式排出，另一部分會沿著土體空隙通道進入坡體。降雨模式會影響雨量進入坡體內的情況，從而影響邊坡穩定性，因此研究不同降雨模式下邊坡降雨入滲規律及其穩定性變化有重要的意義。為簡化計算選用具有代表性的4種模式(減弱型，集中型，平均型，增加型)進行研究，以得到最不利的降雨模式。

4種不同降雨模式下穩定性系數變化如圖2所示。由圖2可知，4種不同降雨模式下穩定性系數都隨著降雨天數的增加而變小，穩定性系數下降幅度最大的是減弱型，其次為集中型和平均型，下降幅度最小的為增強型降雨模式，減弱型降雨模式最大降幅達到0.32。減弱型降雨模式在第1天內變化較大，集中型和平均型降雨模式主要在第2天變化較大，增強型降雨模式相對降低幅度最小。

圖2 穩定性系數隨降雨歷時變化圖

由圖3不同降雨模式下滑坡體前緣溢出點A點(如圖1所示)處的孔隙水壓力變化曲線可知：4種降雨模式中，減弱型降雨模式對坡體前緣A點處孔隙水壓力的影響均大，孔隙水壓力曲線一直在最上面；其次是集中型和平均型，這兩種降雨模式下的孔隙水壓力曲線有交叉；增強型降雨模式相對影響較小。

圖3 滑坡體A點孔隙水壓力圖

4 滑坡支護方案優化對比

滑坡體下方分布道路，治理工程應結合滑坡特征及危害對象進行有針對性的防治，采取抗滑樁的治理思路。抗滑樁樁位主要選擇在滑體厚度相對較薄，滑面相對平緩，滑坡推力相對較小，且能充分利用樁前抗力的地段。根據這一原則，抗滑樁布置于滑坡前緣交界部位。為了既滿足抗滑要求又達到經濟效益，分別從抗滑樁支護間距、橫截面積以及長度三個方面進行支護驗證，分析抗滑能力最好的抗滑樁性質。

4.1 不同樁間距對支護的影響

本節進行不同抗滑樁支護間距對比，數值模擬過程中保持其他條件不變而只改變抗滑樁間距。抗滑樁參數選取為：樁長16 m；橫截面積為0.3 m2；樁間距依次選取2、3和4 m；受荷段6 m，錨固段10 m；樁身采用C30混凝土，彈性模量為30 000 MPa。改變滑坡體在不同抗滑樁間距支護條件，使其在暴雨模式(100 mm/d)下進行20d穩定性計算。不同抗滑樁間距下的穩定性系數如圖4所示。由圖4可知，當抗滑樁間距為2 m時，滑坡最小穩定性系數為1.412；當抗滑樁間距為3 m時，滑坡最小穩定性系數為1.363；當抗滑樁間距為4 m時，滑坡最小穩定性系數為1.246；穩定性變化趨勢較為相似，在暴雨工況下，滑坡穩定性系數先下降后逐漸上升，最小穩定性系數發生在暴雨后的第4天。從支護效果及經濟效益方面考慮,當抗滑樁間距取值3 m時即可符合工況需求。

圖4 不同樁間距下滑坡穩定性系數變化圖

4.2 不同樁橫截面積對支護的影響

在進行不同抗滑樁支護橫截面積對比時，抗滑樁參數選取為：樁長16 m；橫截面積分別為0.3、0.4和0.5 m2；樁間距選取3 m；受荷段6 m，錨固段10 m；樁身采用C30混凝土，彈性模量為30 000 MPa。改變滑坡體不同抗滑樁橫截面積支護條件，使其在暴雨模式(100 mm/d)下進行20 d穩定性計算。不同抗滑樁橫截面積下的穩定性系數如圖5所示。

圖5 不同樁截面積下滑坡穩定性系數變化圖

由圖5可知，隨著抗滑樁面積的增加，抗滑樁抗滑穩定能力也逐漸增加。當抗滑樁橫截面積為0.3 m2時，泥質滑坡最小穩定性系數為1.363；當抗滑樁橫截面積為0.4 m2時，泥質滑坡最小穩定性系數為1.367；當抗滑樁橫截面積為0.5 m2時，泥質滑坡最小穩定性系數為1.371。三種橫截面積下的抗滑樁都大大提高了滑坡穩定性，隨著抗滑樁橫截面積的增加，滑坡穩定性支護效果也越好，故當抗滑樁橫截面積為0.5 m2時最符合工況需求。

4.3 不同樁長對支護的影響

由上一節可知，當抗滑樁間距取值3 m，同時橫截面積取值為0.5 m2時，遠遠滿足抗滑穩定性要求，故本節進行不同抗滑樁支護長度對比時，在Geo-studio數值模擬過程中保持其他條件不變而只改變抗滑樁樁身長度。抗滑樁參數選取為：樁長12、14和16 m；橫截面積為0.5 m2；樁間距選取3 m；受荷段占樁長1/3，錨固段占樁長2/3；樁身采用C30混凝土，彈性模量為30 000 MPa。改變滑坡體在不同抗滑樁長的支護條件，使其在暴雨模式(100 mm/d)下進行20 d穩定性計算。不同抗滑樁長的穩定性系數見圖6所示。

由圖6可知，隨著抗滑樁樁長的增加，抗滑樁抗滑穩定能力逐漸減小。當樁長為12 m時，泥質滑坡最小穩定性系數為1.363；當樁長為14 m時，滑坡最小穩定性系數為1.361；當樁長為16 m時，泥質滑坡最小穩定性系數為1.303，故當抗滑樁樁長為12 m時最符合工況需求。

圖6 不同樁長下滑坡穩定性系數變化圖

5 結束語

大房李家滑坡目前處于整體基本穩定狀態。從定性和定量兩方面分析，該滑坡穩定性主要受降雨強度的影響。基于減弱型、集中型、平均型、增加型4種降雨模式來進行模擬分析，以得到最不利的降雨模式。分析可知：滑坡穩定性系數在4種不同降雨模式下都隨著降雨天數的增加而變小，穩定性系數下降幅度最大的是減弱型。滑坡治理所需抗滑樁參數選取為：樁間距3 m，橫截面積0.5 m2，樁長12 m，此時最符合本項目工程抗滑要求以及經濟效益。