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影響?；轮卫矸椒ǚN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滑坡治理效果的影響，結(jié)果表明不同的滑坡運動模式對應(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性質(zhì)有關(guān)。林久平等[2]依托實際工程，采用理論方法，根據(jù)樁的截面形式和受力特點推導得到了圓形截面抗滑樁的配筋計算方法。黃良譽[3]等根據(jù)模型試驗，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)對于邊坡的加固效果良好，應(yīng)用于實際工程中坡面變形可減小30%。任海民、馮偉劍[4]采用理論推導方法，提出了一種復合單元抗滑樁模型，該模型可有效模擬抗滑樁的力學性能，進一步采用有限元模擬證明樁布置在邊坡中部時，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)定性會隨著樁長的增加而提高。曾錦秀[6]基于極限平衡法推導了邊坡雙排抗滑樁變形計算方法，結(jié)果表明適當增大連系梁厚度、嵌固段長度、樁徑和樁身彈性模量，或可改善樁周巖土體的力學性能，對于坡體的穩(wěn)定性是有利的。易慶林等[7]基于強度折減法，研究了降雨和庫水作用對三峽庫區(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，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雜地質(zhì)水文條件下適用性更強，并且具有造價更低和施工工期更短的優(yōu)勢。黃達等[10]基于土拱效應(yīng)，研究了懸臂式抗滑樁加固作用機制，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，研究了抗滑樁隨機響應(yīng)，結(jié)果表明巖體參數(shù)的空間變異性對抗滑樁的響應(yīng)有顯著影響，巖土體空間變異性可能造成防護措施的失效，同時低估樁頂位移。

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 計算模型與參數(shù)

2.1 數(shù)值模型

本文采用MIDAS軟件進行求解分析，選取典型計算剖面，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。降水強度假定為100 mm/d，降水持續(xù)時長為3 d。根據(jù)計算剖面，建立數(shù)值計算模型，見圖2。選取模型的3個監(jiān)測斷面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ進行詳細分析，提取監(jiān)測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個方向的位移計轉(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 材料力學參數(shù)

表2 巖土體非飽和滲透特性參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 孔隙水壓力特征

圖3為3個能監(jiān)測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，孔隙水壓力均為負值，隨著厚度增大，孔隙水壓力呈線性增大。隨著降雨時間的增長，孔隙水壓力逐漸由負值變?yōu)?，表明坡體出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。隨著降雨進一步增大，飽和區(qū)域不斷擴大，坡腳處的孔隙水壓力大于坡肩和坡中位置?？傮w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個能監(jiān)測斷面沿厚度方向體積含水率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著降雨時長的持續(xù)增加，坡體含水率逐漸增大，影響范圍隨之擴大，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)，并且不斷向上擴展。降雨結(jié)束時，地下水位線降低至0 m?？傮w表明，降雨導致的坡體失穩(wěn)首先發(fā)生于坡腳；當坡腳發(fā)生滑坡時，會進一步牽引坡體上部失穩(wěn)破壞，最終會形成牽引式滑坡。因此，實際工程中應(yīng)注意在坡腳處設(shè)置排水溝，以保證邊坡排水及時，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)計算分析

采用強度折減法計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)時間的增大，穩(wěn)定系數(shù)不斷減小；到降雨持續(xù)3 d時，穩(wěn)定系數(shù)僅為1.01，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。采用抗滑樁對邊坡進行加固后，邊坡的穩(wěn)定性大大增強。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)測斷面處最大剪應(yīng)力隨邊坡厚度變化趨勢。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變化特性、孔隙水壓力特點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。進一步增大降雨時間，地下水位線升高，坡體飽和區(qū)不斷向坡體內(nèi)部擴展和延伸，坡體的穩(wěn)定性下降。

2) 采用強度折減法計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)時間的增大，穩(wěn)定系數(shù)不斷減??；到降雨持續(xù)3 d時，穩(wěn)定系數(shù)僅為1.01，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。采用抗滑樁對邊坡進行加固后，邊坡的穩(wěn)定性大大增強。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。