抗滑樁對降雨型滑坡加固效應分析

邵莎莎

（山東臨沂水利水電建筑安裝公司,山東 臨沂 276000）

滑坡災害是我國及世界范圍內山區重大地質災害,由于其突發和規模較大的特點,通常會帶來巨大的損失。隨著山區人口密度和基礎建設日益繁榮,邊坡的穩定性問題也成為國內外研究的重點和難點。其中降雨型滑坡又是滑坡類型的最重要的一種。魏巍等[1]基于ABAQUS數值模擬研究了降雨型滑坡的入滲特征及抗滑樁加固穩定性。研究表明,考慮降雨入滲比不考慮降雨入滲時,邊坡坡腳的穩定性更差,實際工程中,抗滑樁的最優位置應布置于坡中和坡腳位置。李寧等[2]基于Geostudio數值計算軟件,系統地研究了降雨條件下抗滑樁邊坡穩定性。結果表明,抗滑樁的對邊坡的加固效果隨抗滑樁的間距減小而增大。對于降雨型滑坡,抗滑樁的最優位置應布置在坡腳,且增大抗滑樁的長度可以提高樁的加固效果。李寧等[3]基于ABAQUS二次開發,系統地研究降雨條件下抗滑樁邊坡三維穩定性。結果表明,過小的樁間距一方面可以提高樁的加固效果,另一方面不利于雨水排泄。在不考慮降雨條件下,抗滑樁布置于邊坡中部時,抗滑效果最優。蘭素戀等[4]、郭宏偉[5]等基于三維仿真數值模擬,系統地分析了某鐵路邊坡降雨入滲條件下的穩定性。結果表明,在對于降雨型滑坡而言,抗滑樁對邊坡的穩定性有很大的改善作用,抗滑樁可以有效減小邊坡位移,保證邊坡的穩定性。王成湯等[6]基于模型試驗和數值模擬系統地研究了錨索抗滑樁加固堆積型滑坡的受力特性。結果表明,錨索抗滑樁的加固效果顯著由于普通抗滑樁的加固效果。

本文基于某典型降雨型邊坡,采用數值有限元研究降雨型邊坡非飽和滲流過程,分析雨強及基質吸力及樁頂約束對邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

以某均質土坡為研究對象建立數值模型見圖1。假定土體是均勻的砂土。計算采用的物理力學參數見表1。模型邊界條件為：左右兩邊約束水平位移,底部固定三個方向的位移,頂部為自由滲流邊界。抗滑樁位于邊坡中部,樁距坡頂水平距離為7.5 m,截面尺寸為方形樁,邊長為0.8 m,長度為15 m。土體計算本構采用摩爾-庫倫模型,樁采用均質線彈性本構,其中樁土截面采用接觸單元模擬,樁土接觸面的參數見表1。計算中,假定初始降雨強度為60 mm/d,降雨持續總時間為6 d。

圖1 邊坡數值模擬示意圖

2 計算結果與分析

2.1 孔隙水壓力的變化規律

圖2為不同降水時長下邊坡的孔隙水壓力的變化情況。結果表明,隨時間增大,坡體內部的濕潤鋒逐漸由表面向內部推進。等值孔隙水壓力呈現出環狀分布形式。其中在降雨開始階段,由于土體的飽和度較低,入滲能力較強,因此雨水入滲的較快,基質吸力減小的速度較快。此外,當降雨時長達到3 d時,坡面土體達到飽和狀態,基質吸力減小為0,坡面出現積水并形成徑流。進一步隨著降雨的增大,坡面土體的飽和區隨之擴大,地下水上升。

圖2 邊坡孔壓隨降雨的變化趨勢圖（單位：kPa）

圖3為邊坡位移隨降雨時長的變化趨勢。結果表明,當降雨時長為1 d時,邊坡的位移為5.7 mm,當降雨持續時間為2 d時,邊坡的位移增大至6.5 mm,當降雨持續時間為3 d時,邊坡的位移增大至6.8 mm,當降雨持續時間為4 d時,邊坡的位移增大至7 mm,當降雨持續時間為5 d時,邊坡的位移增大至8.5 mm,降雨持續時間為6 d時,邊坡的位移增大至10.5 mm。此外,當降雨持續時間大于4 d時,邊坡位移隨降雨持續時間的增大,變化速率增大更明顯。也證明,邊坡失穩的可能性更大。根據圖4的結果可以看到,降雨時間由1 d增大至6 d后,邊坡的穩定性系數由1.45減小至0.95。

圖3 邊坡位移隨降雨時長的變化趨勢

圖4 邊坡穩定性系數的變化規律

2.2 雨強對邊坡穩定性的影響

圖5為降雨時間對邊坡穩定性的影響。結果表明,在降雨強度為40 mm/d、80 mm/d、120 mm/d、160 mm/d和200 mm/d的工況下,邊坡的穩定性隨降雨強度的增大而減小。此外,當降雨強度超過120 mm/d時,降雨強度對邊坡的穩定性影響基本忽略不計。這是因為,當雨強小于巖土體的滲透系數時,雨水入滲程度較大。邊坡穩定性降低較快,當雨強大于邊坡巖土體的滲透系數時,降雨入滲程度減弱,大部分降雨不會入滲至坡面內部,而是形成地表徑流排出,從而導致邊坡的穩定性隨降雨強度的影響逐漸減弱[1]。根據結果看出,當降雨強度為40 mm/d時,降雨時長增大6 d后,邊坡的穩定性系數由1.45降低至1.39,當降雨強度為80 mm/d時,降雨時長增大6 d后,邊坡的穩定性系數由1.45降低至1.20,當降雨強度為120 mm/d時,降雨時長增大6 d后,邊坡的穩定性系數由1.45降低至1.08,當降雨強度為160 mm/d時,降雨時長增大6 d后,邊坡的穩定性系數由1.45降低至0.95,當降雨強度為200 mm/d時,降雨時長增大6 d后,邊坡的穩定性系數由1.45降低至0.94。

圖5 降雨時間對邊坡穩定性的影響

2.3 基質吸力對邊坡穩定性的影響

為了進一步研究邊坡基質吸力對坡體穩定性的影響,本文以降雨強度為160 mm/d為例,分析選擇4種不同的工況下基質吸力對邊坡穩定性的影響。工況1為坡體不加固且不考慮基質吸力；工況2為坡體不加固但考慮基質吸力；工況3為坡體加固但不考慮基質吸力；工況4為坡體加固且考慮基質吸力。計算得到不同4種工況下,基質吸力對邊坡穩定性的影響見圖6。結果表明,對于工況1而言,無降雨時,邊坡的穩定系數小于1,證明邊坡處于不穩定狀態。對比工況2和工況3,可以發現,工況2的邊坡穩定性大于工況3的穩定性。從以上分析可以看出,基質吸力對邊坡的穩定性影響較大。對比工況2和工況4發現,當降雨持續時間小于3 d時,工況4的邊坡穩定性顯著大于工況2的。這是因為。當降雨時間大于4 d后,邊坡發生很大的位移。樁土接觸位置處發生鮮顯著的剪切變形,導致抗滑樁阻滑作用降低[7-8]。

圖6 基質吸力對邊坡穩定性的影響

2.4 樁頂約束形式對邊坡穩定性的影響

實際工程中,抗滑樁的樁頂一般為自由約束。當樁頂位移過大時,可采用錨拉樁的形式減小樁頂位移。本文研究了樁不同的約束形式下樁體位移的變化規律見圖7。結果表明,在降雨強度為160 mm/d工況下,未降雨和降雨結束后,樁頂位移隨深度表現出兩頭小中間大的趨勢。當樁頂鉸接時,樁頂最大位移明顯小于樁頂自由情況。此外,圖8為樁頂約束對邊坡穩定性的影響,可以看到,鉸接工況下邊坡的穩定性顯著高于樁頂自由工況。對于自由工況下的樁頂而言,隨降雨持續時間的增大,穩定系數由1.45降低至0.95,而對于鉸接工況下的樁,邊坡穩定系數由1.71降低至1.22。

圖7 樁頂約束對樁位移的影響

圖8 樁頂約束對邊坡穩定性影響

3 結論

（1）降雨持續入滲的過程中,邊坡濕潤前鋒逐漸由坡面向坡體內部推進。隨著土體飽和度的增大,土體的基質吸力顯著降低,當降雨持續增加到一定時長時,坡面出現飽和區,基質吸力消失為0。

（2）隨著降雨的入滲,邊坡坡腳位移有增大的趨勢,進一步當降雨持續增大至4 d時,坡腳位移變化速率顯著增大,穩定性顯著降低,邊坡有失穩的可能性。

（3）邊坡的穩定性隨降雨強度的增大而減小,當雨強大于土體滲透系數時,雨強對邊坡穩定性影響較小,當雨強小于土體滲透系數時,雨強對邊坡穩定性影響非常顯著。此外,采用錨拉形式的抗滑樁對邊坡的加固效應明顯優于普通抗滑樁。