滑坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固治理數(shù)值模擬研究

張國(guó)慶

（重慶鋼鐵集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400080）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各種工程的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，不可避免會(huì)出現(xiàn)高大邊坡。在自身重力、降雨、地震力等因素作用下，巖土體的抗剪強(qiáng)度可能小于剪切力，從而使剪切面的上下兩部分土體產(chǎn)生相對(duì)位移，即滑坡現(xiàn)象。滑坡在我國(guó)分布較普遍，破壞力極強(qiáng)，如果不能提前識(shí)別滑坡或選擇的治理方案不合理，容易造成房屋坍塌、交通堵塞等災(zāi)害，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。抗滑樁具有承載能力強(qiáng)、抗滑效果好等優(yōu)勢(shì)，在滑坡治理中應(yīng)用廣泛。但設(shè)計(jì)人員在制定滑坡治理方案時(shí)，盲目參考其它項(xiàng)目圖紙，不重視滑坡計(jì)算[1]。因此，采用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)一步研究滑坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固治理措施，具有重要的工程價(jià)值。本文結(jié)合具體案例開展該課題的研究工作。

1 工程概況

該滑坡工程坡腳標(biāo)高約1045m，坡頂標(biāo)高約1078～1082m，相對(duì)高差約33.0～37.0m。滑坡后緣較陡，自然坡度約15°～35°。居民為了在邊坡坡面上修建房屋，對(duì)邊坡坡體進(jìn)行了開挖，開挖后呈“階梯狀”。潛在滑動(dòng)面沿泥巖頂，總面積約1.68×104m2，滑體厚度約15～25m，滑坡體積約26.6×104m3，主滑方向170°。在連續(xù)降雨天氣下，滑坡坡面產(chǎn)生局部變形，出現(xiàn)張拉裂縫。為了避免滑坡進(jìn)一步發(fā)育，擬對(duì)其進(jìn)行加固處理[2]。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、物探等手段，查明該滑坡的滑體由粉土、粉質(zhì)黏土組成，層厚分別為10～16m、2～8m；滑坡前緣局部上覆雜填土，厚2.5～5.0m；滑坡滑床巖性是泥巖，處于干燥狀態(tài)，強(qiáng)度較高。該滑坡的剖面圖如圖1所示。

圖1 滑坡體剖面圖

滑坡所在區(qū)域?qū)贉貛О霛駶?rùn)氣候，四季變化明顯，多年平均氣溫為11.5°C，相對(duì)濕度在65%～70%，多年平均雨量為550mm，且降雨以短時(shí)強(qiáng)降雨為主，主要集中在6～9月份。

2 滑坡成因分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該滑坡的成因主要有以下幾個(gè)方面：

（1）滑坡前緣與后緣的相對(duì)高差較大，導(dǎo)致邊坡后緣陡峭、前緣開闊，且滑體上覆的粉土結(jié)構(gòu)松散，孔隙比大，垂直節(jié)理較發(fā)育，為雨水入滲創(chuàng)造了條件；

（2）邊坡坡體中部及后部建設(shè)有房屋，增大了坡體的下滑荷載，同時(shí)房屋建設(shè)的擾動(dòng)破壞了坡體內(nèi)的應(yīng)力平衡；

（3）連續(xù)降雨是誘發(fā)滑坡的直接因素。雨水深入坡體后一部分滯留在坡體淺表層，增大粉土的重度，從而增大坡體下滑力。另一部分雨水入滲補(bǔ)給滑坡地下水，加速了滑坡坡體蠕變。

3 降雨條件下滑坡穩(wěn)定性分析

滑坡穩(wěn)定性分析并不是簡(jiǎn)單的二維平面問(wèn)題，而是復(fù)雜的三維問(wèn)題。本文利用有限元軟件ABAQUS建立三維計(jì)算模型，以便于更真實(shí)地模擬降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，其主要建模步驟為：導(dǎo)入CAD圖紙建模→輸入各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)→初始地應(yīng)力→定義降雨分析步→定義荷載→定義邊界條件→劃分網(wǎng)格→滑坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算→導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果。

3.1 建立計(jì)算模型

3.1.1 本構(gòu)模型

假設(shè)滑坡巖土體為連續(xù)、均勻、各向同性的材料，在分析穩(wěn)定性時(shí)選擇Drucker—Prager本構(gòu)模型（簡(jiǎn)稱D—P模型）。D—P模型同時(shí)考慮了中間主應(yīng)力和靜水壓力對(duì)巖土體應(yīng)力應(yīng)變的影響[3]。

3.1.2 邊界條件

滑坡模型底部可認(rèn)為是固定端，x、y、z三個(gè)方向均約束，且為不透水邊界；模型左右兩側(cè)、前后兩側(cè)分別約束y方向、x方向的位移；模型表面為自由邊界，并根據(jù)降雨情況設(shè)置降雨邊界條件。此外，滑坡孔隙水邊界條件結(jié)合地下水位確定。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)勘察，該滑坡坡體內(nèi)的地下水位是起伏的。結(jié)合其它研究成果，將起伏的地下水位簡(jiǎn)化成一個(gè)斜面。

3.1.3 網(wǎng)格劃分

基于滑坡的平面圖和剖面圖建立滑坡三維模型，將CAD文件導(dǎo)入ABAQUS軟件，生成滑坡三維部件，并劃分地層。模型建好后，采用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格（C3D8RP單元），網(wǎng)格尺寸取1.0m，共劃分出2698個(gè)單元，3316個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 滑坡三維計(jì)算模型

3.1.4 降雨分析步

根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤杲y(tǒng)計(jì)資料，共設(shè)置5種降雨工況（工況1～工況5），降雨強(qiáng)度分別為10mm/d、20mm/d、40mm/d、80mm/d、120mm/d，對(duì)應(yīng)的雨量等級(jí)分別為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨，對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)均為72h。滑坡滲流計(jì)算共有四個(gè)分析步：初始步、荷載分析步（滑坡穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算）、降雨分析步（滑坡瞬態(tài)滲流計(jì)算）、折減分析步（滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算）。

3.2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

3.2.1 計(jì)算理論

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用強(qiáng)度折減法，即滑坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，潛在滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力（下滑力）等于滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)按某一系數(shù)折減后的抗剪強(qiáng)度，此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)就是滑坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs，計(jì)算公式如下[4]：

式中：

c、φ——滑坡土體折減前的抗剪強(qiáng)度參數(shù)；

cm、φm——滑坡土體折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

強(qiáng)度折減法判斷滑坡是否失穩(wěn)有三種判據(jù)：迭代計(jì)算是否收斂及位移突變點(diǎn)、塑性區(qū)是否貫通，本文采用第三種判據(jù)來(lái)計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算可知：滑坡體有效應(yīng)力隨著降雨持續(xù)不斷減小，且降雨強(qiáng)度越大，其減小幅度越大。降雨入滲對(duì)滑坡坡腳的有效應(yīng)力影響最大，不利于坡腳的穩(wěn)定性。同時(shí)，滑坡坡腳處高程較低，距離地下水位近，孔隙水壓力較小。

在連續(xù)降雨天氣下，雨水在滑坡表面形成徑流，通過(guò)滑坡表面的裂縫滲入巖土體內(nèi)部，使得潛在滑動(dòng)面以上的滑體含水率提高，重度和下滑力增加，抗剪強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致滑坡經(jīng)連續(xù)降雨后發(fā)生較大變形。工況1～工況5條件下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)如圖3所示。

圖3 不同降雨工況下滑坡穩(wěn)定性

由圖3可知：工況1～工況5所對(duì)應(yīng)的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.308、1.286、1.255、1.186、1.177。由此可知，降雨強(qiáng)度越大，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)越小。

4 抗滑樁加固滑坡的設(shè)計(jì)原則及參數(shù)優(yōu)化

4.1 滑坡方案設(shè)計(jì)原則

結(jié)合上文滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果，擬定該滑坡的治理方案為：抗滑樁支擋+截、排水工程+前緣抗滑擋土墻，其關(guān)鍵是抗滑樁的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)抗滑樁時(shí)，應(yīng)遵循兩大原則：

（1）抗滑樁位置要考慮施工可行性，不宜放置在施工機(jī)械難以進(jìn)場(chǎng)或操作的路段；

（2）抗滑樁的樁長(zhǎng)、樁間距等要在滿足滑坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡量?jī)?yōu)化，以保證治理方案的經(jīng)濟(jì)性[5]。

4.2 滑坡推力計(jì)算及抗滑樁參數(shù)選取

4.2.1 滑坡推力計(jì)算

由《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013），在設(shè)計(jì)滑坡治理方案時(shí)，其穩(wěn)定系數(shù)與邊坡類型和邊坡安全等級(jí)有關(guān)。以一級(jí)邊坡為例，永久邊坡在一般工況下的安全系數(shù)取1.35，永久邊坡在地震工況下的安全系數(shù)取1.15，臨時(shí)邊坡的安全系數(shù)取1.25。由于滑坡所處區(qū)域的抗震設(shè)防烈度為VI度，地震力對(duì)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響可忽略不計(jì)。因此，計(jì)算滑坡推力不必考慮地震作用。

該滑坡共劃分了8個(gè)條塊，每個(gè)條塊的滑坡推力計(jì)算公式如下

式中：

pi、pi-1——分別為第i個(gè)和第i-1個(gè)條塊的滑坡推力；

ψi-1——滑坡推力傳遞系數(shù)；

r——滑坡推力安全系數(shù)；

Ti——第i個(gè)條塊的下滑力，kN/m；

Ri——第i個(gè)條塊的抗滑力，kN/m。

滑坡各個(gè)條塊的滑坡推力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 滑坡各個(gè)條塊的推力（單位：kN/m）

4.2.2 抗滑樁參數(shù)

抗滑樁是嵌入滑坡體內(nèi)部發(fā)揮作用，依靠抗滑樁自身抗剪能力及嵌固層基巖、樁間土體所提供的被動(dòng)土壓力來(lái)抵擋滑坡推力。

滑坡在坡腳布置一排抗滑樁來(lái)抵抗滑坡推力，初步擬定的設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁長(zhǎng)24m、樁間距5m，橫截面積為1.5m×2m，抗滑樁樁身材料為C30 鋼筋混凝土，重度取24kN/m3，彈性模量E=30GPa，泊松比0.2。在模擬計(jì)算之前，將抗滑樁設(shè)置為彈性體，初始平衡地應(yīng)力，再計(jì)算不同樁長(zhǎng)、樁間距下的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)，以優(yōu)化滑坡治理方案。

根據(jù)相關(guān)研究成果，抗滑樁與滑坡巖土體之間的接觸關(guān)系會(huì)影響抗滑樁的加固效果。ABAQUS軟件中內(nèi)置了兩種接觸屬性來(lái)模擬樁-土間接觸，其中Node to Surface接觸的“穿透現(xiàn)象”明顯，計(jì)算精度較低，故計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)建議采用Surface to Surface接觸關(guān)系[6]。

4.3 抗滑樁治理邊坡結(jié)果分析

4.3.1 樁間距對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

樁間距對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在其“土拱效應(yīng)”，且直接影響滑坡治理方案的經(jīng)濟(jì)性。利用ABAQUS軟件計(jì)算樁間距為5m、6m、7m、8m、9m時(shí)，滑坡在非天然工況I下的總位移和穩(wěn)定性系數(shù)（見(jiàn)圖4所示）。

圖4 不同樁間距下滑坡穩(wěn)定系數(shù)

當(dāng)抗滑樁樁間距從5m增加至7m，樁后土體位移僅增加了5.6cm。說(shuō)明抗滑樁引起的“土拱效應(yīng)”逐漸開始發(fā)揮，抗滑樁能有效地抵擋滑坡推力；樁間距從7m增加至9m，樁后土體位移變化幅度大，增加了13.9cm，說(shuō)明“土拱效應(yīng)”減弱，抗滑樁對(duì)滑坡的加固效果也減弱。此外，在抗滑樁樁間距變化的過(guò)程中，樁前位移無(wú)明顯變化。

圖4計(jì)算結(jié)果表明：隨著抗滑樁間距的增加，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)不斷降低，但降低速率逐漸變緩。當(dāng)抗滑樁間距從5m增加至9m，滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別降低了0.09、0.08、0.05、0.03。當(dāng)抗滑樁樁間距≤7m，滑坡穩(wěn)定系數(shù)呈驟降趨勢(shì)；當(dāng)抗滑樁樁間距超過(guò)7m，滑坡穩(wěn)定系數(shù)變化不明顯，抗滑樁的加固效果差。綜上，建議該滑坡的抗滑樁間距不超過(guò)7m。

4.3.2 樁長(zhǎng)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響

抗滑樁樁長(zhǎng)也會(huì)直接影響滑坡治理工程的造價(jià)。為了提高滑坡治理方案的經(jīng)濟(jì)性，利用ABAQUS軟件計(jì)算抗滑樁樁長(zhǎng)為16m、18m、20m、22m、24m時(shí)，滑坡在非天然工況I下穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明：在其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變的條件下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨樁長(zhǎng)的增加而增加，當(dāng)抗滑樁樁長(zhǎng)從16m 增加至24m，滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別提高了0.022、0.020、0.018、0.007。說(shuō)明抗滑樁樁長(zhǎng)＞22m后，滑坡穩(wěn)定系數(shù)變化不明顯，在滑坡治理設(shè)計(jì)時(shí)不可盲目增加樁長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文依托某滑坡工程，利用ABAQUS軟件建立三維模型，分析滑坡在連續(xù)降雨條件及抗滑樁加固前后的穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論：

（1）有限元法模擬滑坡工程的關(guān)鍵是設(shè)置本構(gòu)模型、邊界條件、網(wǎng)格劃分、設(shè)置降雨分析步等；

（2）連續(xù)降雨會(huì)增大滑坡下滑力，降低土體的抗剪強(qiáng)度，誘發(fā)滑坡失穩(wěn)，且降雨強(qiáng)度越大，降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，滑坡穩(wěn)定性越小；

（3）抗滑樁加固滑坡設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮施工可行性和經(jīng)濟(jì)性，并準(zhǔn)確計(jì)算滑坡推力；

（4）在抗滑樁加固滑坡后，其穩(wěn)定性明顯提升，且樁間距越小、樁長(zhǎng)越大，穩(wěn)定性越好。研究成果可為類似的滑坡工程治理提供理論指導(dǎo)。