抗滑樁加固邊坡效應(yīng)數(shù)值模擬分析

丘 浩

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概 述

滑坡是全球性范圍內(nèi)廣泛發(fā)育的一種地質(zhì)災(zāi)害，由于其規(guī)模大、分布廣泛和危害性大，因此容易造成較大的社會(huì)影響。滑坡治理方法種類較多，如抗滑樁、截排水措施、削方減載、錨索以及格構(gòu)等。其中，抗滑樁方案因其布置靈活和治理效果好，被廣泛應(yīng)用于各類滑坡的治理工程中。

由于抗滑樁應(yīng)用范圍廣泛，許多學(xué)者為此開展了大量的研究，以提高抗滑樁的治理效果。平詩語等[1]基于數(shù)值模擬，研究了不同演化模式滑坡抗滑樁加固樁位與嵌固深度對(duì)滑坡治理效果的影響，結(jié)果表明不同的滑坡運(yùn)動(dòng)模式對(duì)應(yīng)抗滑樁最優(yōu)布設(shè)位置有所不同，另外抗滑樁嵌固存在有效嵌固深度，有效嵌固深度比與巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。林久平等[2]依托實(shí)際工程，采用理論方法，根據(jù)樁的截面形式和受力特點(diǎn)推導(dǎo)得到了圓形截面抗滑樁的配筋計(jì)算方法。黃良譽(yù)[3]等根據(jù)模型試驗(yàn)，提出一種埋入式抗滑樁錨拉豎向植筋帶加固邊坡的技術(shù)，結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)于邊坡的加固效果良好，應(yīng)用于實(shí)際工程中坡面變形可減小30%。任海民、馮偉劍[4]采用理論推導(dǎo)方法，提出了一種復(fù)合單元抗滑樁模型，該模型可有效模擬抗滑樁的力學(xué)性能，進(jìn)一步采用有限元模擬證明樁布置在邊坡中部時(shí)，抗滑樁易發(fā)生彎曲破壞的結(jié)果。刁海珠[5]基于FLAC3D數(shù)值模擬，研究了抗滑樁加固參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定性會(huì)隨著樁長(zhǎng)的增加而提高。曾錦秀[6]基于極限平衡法推導(dǎo)了邊坡雙排抗滑樁變形計(jì)算方法，結(jié)果表明適當(dāng)增大連系梁厚度、嵌固段長(zhǎng)度、樁徑和樁身彈性模量，或可改善樁周巖土體的力學(xué)性能，對(duì)于坡體的穩(wěn)定性是有利的。易慶林等[7]基于強(qiáng)度折減法，研究了降雨和庫水作用對(duì)三峽庫區(qū)三門洞滑坡抗滑樁加固的影響，結(jié)果表明采用30 m的矩形柱可達(dá)到良好的治理效果。白凱文、解惠[8]采用數(shù)值模擬研究了滑坡位移特征的抗滑樁樁位優(yōu)化特性，結(jié)果表明通過采用數(shù)值模擬，優(yōu)化抗滑樁至滑坡變形最大時(shí)，可獲得最優(yōu)加固樁位，取得最優(yōu)治理效果。李兵等[9]基于汶馬高速公路抗滑樁治理工程，推導(dǎo)了圓截面h型抗滑樁受力與變形，結(jié)果表明圓截面抗滑樁在復(fù)雜地質(zhì)水文條件下適用性更強(qiáng)，并且具有造價(jià)更低和施工工期更短的優(yōu)勢(shì)。黃達(dá)等[10]基于土拱效應(yīng)，研究了懸臂式抗滑樁加固作用機(jī)制，分析土拱的三維形態(tài)特征，得到不同樁間距的軸線方程。仉文崗等[11]基于可靠度分析原理，研究了抗滑樁隨機(jī)響應(yīng)，結(jié)果表明巖體參數(shù)的空間變異性對(duì)抗滑樁的響應(yīng)有顯著影響，巖土體空間變異性可能造成防護(hù)措施的失效，同時(shí)低估樁頂位移。

綜上所述，本文基于數(shù)值模擬，研究抗滑短加固邊坡效果，研究成果可為類似工程提供參考。

2 計(jì)算模型與參數(shù)

2.1 數(shù)值模型

本文采用MIDAS軟件進(jìn)行求解分析，選取典型計(jì)算剖面，見圖1。邊坡總高度為10 m，其中坡體上部為破殘積土，下部為基巖層。降水強(qiáng)度假定為100 mm/d，降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為3 d。根據(jù)計(jì)算剖面，建立數(shù)值計(jì)算模型，見圖2。選取模型的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ進(jìn)行詳細(xì)分析，提取監(jiān)測(cè)斷面孔隙水壓力和位移等特征值。

模型的邊界條件為：底部約束3個(gè)方向的位移計(jì)轉(zhuǎn)角；左右兩側(cè)約束水平位移；模型頂部為自由邊界。此外，計(jì)算中假定地下水位線與DE等高，并在模型左右兩側(cè)施加10 m的水頭邊界。

圖1 邊坡典型剖面圖

圖2 數(shù)值模擬圖

2.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

坡殘積土采用M-C本構(gòu)模型，抗滑樁、基巖以及網(wǎng)格梁采用彈性本構(gòu)。具體材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

已有研究表明，土體的水土特征曲線可用V-G模型模擬，具體表達(dá)式為：

(1)

式中：θ為體積含水率；θs為飽和體積含水率；θr為殘余體積含水率；α、n、m為擬合參數(shù)；φ為土體的基質(zhì)吸力。

本文所使用土體的土水特征參數(shù)見表2。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

表2 巖土體非飽和滲透特性參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 孔隙水壓力特征

圖3為3個(gè)能監(jiān)測(cè)斷面沿厚度方向孔隙水壓力的變化規(guī)律。結(jié)果表明，初始階段，孔隙水壓力均為負(fù)值，隨著厚度增大，孔隙水壓力呈線性增大。隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)，孔隙水壓力逐漸由負(fù)值變?yōu)?，表明坡體出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。隨著降雨進(jìn)一步增大，飽和區(qū)域不斷擴(kuò)大，坡腳處的孔隙水壓力大于坡肩和坡中位置。總體表明，持續(xù)降雨下，坡腳位置處巖土體為最不穩(wěn)定區(qū)域。

圖3 不同位置處孔隙水壓力隨厚度變化規(guī)律

3.2 體積含水率特征

圖4為3個(gè)能監(jiān)測(cè)斷面沿厚度方向體積含水率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著降雨時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)增加，坡體含水率逐漸增大，影響范圍隨之?dāng)U大，但小于飽和體積含水率。圖4(b)和圖4(c)表明，降雨匯集至坡腳位置，坡腳處體積含水率增大至0.3，表明出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，并且不斷向上擴(kuò)展。降雨結(jié)束時(shí)，地下水位線降低至0 m。總體表明，降雨導(dǎo)致的坡體失穩(wěn)首先發(fā)生于坡腳；當(dāng)坡腳發(fā)生滑坡時(shí)，會(huì)進(jìn)一步牽引坡體上部失穩(wěn)破壞，最終會(huì)形成牽引式滑坡。因此，實(shí)際工程中應(yīng)注意在坡腳處設(shè)置排水溝，以保證邊坡排水及時(shí)，保證坡體穩(wěn)定性。

圖4 不同位置處體積含水率隨厚度變化規(guī)律

3.3 安全系數(shù)計(jì)算分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡加固前后的穩(wěn)定系數(shù)并匯，見表3。結(jié)果表明，加固前，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.15。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增大，穩(wěn)定系數(shù)不斷減小；到降雨持續(xù)3 d時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)僅為1.01，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固后，邊坡的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。加固后的穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.20，滿足邊坡安全性要求，表明采用抗滑樁進(jìn)行邊坡加固是有效的。

表3 加固前后穩(wěn)定系數(shù)隨降雨變化規(guī)律

3.4 邊坡位移分析

表4為加固前后邊坡坡腳處的最大水平位移。結(jié)果表明，加固前，降雨持續(xù)1 d、2 d和3 d后的坡腳處最大位移分別為62、74和100 mm，表明3 d持續(xù)降雨下，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。采用抗滑樁加固后，降雨持續(xù)1 d、2 d和3 d后的坡腳處最大位移分別為15、17和21 mm，表明加固后邊坡的最大水平位移顯著減小，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表4 加固前后邊坡最大水平位移

3.5 最大剪應(yīng)力分析

圖5為不同監(jiān)測(cè)斷面處最大剪應(yīng)力隨邊坡厚度變化趨勢(shì)。圖5(a)表明，由于抗滑樁布置在邊坡下部，因此加固前后，坡體的最大剪應(yīng)力減小不明顯。圖5(b)和圖5(c)表明，抗滑樁的加固作用明顯。斷面Ⅱ中，坡腳處的土體剪應(yīng)力由33 kPa 減小至22 kPa；坡頂處的土體剪應(yīng)力由20 kPa 減小至18 kPa。斷面Ⅲ中，坡腳處的土體最大剪應(yīng)力由33 kPa 減小至15 kPa；坡頂處的土體剪應(yīng)力由10 kPa 減小至6 kPa。分析其原因，主要是由于抗滑樁的布置使得樁后土體位移顯著減小，進(jìn)而產(chǎn)生土拱效應(yīng)[12]，降低了最大剪應(yīng)力，有效保證坡體穩(wěn)定性。

圖5 不同位置處最大剪應(yīng)力隨厚度變化規(guī)律

4 結(jié) 論

本文采用有限元方法研究了抗滑樁加固邊坡效果，分析了在不同降雨持續(xù)工況下邊坡的滲流場(chǎng)變化特性、孔隙水壓力特點(diǎn)以及邊坡在加固前后的穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)論如下：

1) 持續(xù)降雨下，坡體孔隙水壓力和體積含水率均增大；隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增大，坡腳處最先出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，也即坡腳處屬于邊坡最不穩(wěn)定的區(qū)域。進(jìn)一步增大降雨時(shí)間，地下水位線升高，坡體飽和區(qū)不斷向坡體內(nèi)部擴(kuò)展和延伸，坡體的穩(wěn)定性下降。

2) 采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡加固前后的穩(wěn)定性表明，加固前，坡體的穩(wěn)定性系數(shù)均小于1.15。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增大，穩(wěn)定系數(shù)不斷減小；到降雨持續(xù)3 d時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)僅為1.01，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固后，邊坡的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。加固后的穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.20，滿足邊坡安全性要求。

3) 抗滑樁可有效減小坡體最大水平位移，加固前坡腳處的最大位移分別為62、74和100 mm。采用抗滑樁加固后，坡腳處的最大位移分別為15、17和21 mm，表明加固效應(yīng)明顯。此外，最大剪應(yīng)力分布規(guī)律也表明，抗滑樁的布置可保證邊坡安全。