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        考慮滑帶變形劣化特征的類土質(zhì)滑坡穩(wěn)定性模擬分析

        2023-11-20 11:00:12陳志超
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年25期
        關(guān)鍵詞:滑帶坡腳抗滑樁

        陳志超

        (1.福建省地質(zhì)工程勘察院,福建 福州;2.自然資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州)

        緒論

        根據(jù)對(duì)金鐘山滑坡的初步勘察,金鐘山滑坡具有較厚的殘坡積土層和全風(fēng)化層,這種土層具有明顯結(jié)構(gòu)性特征,多數(shù)學(xué)者將這類性質(zhì)介于巖質(zhì)和土質(zhì)之間的過(guò)渡類型稱為類土質(zhì)[1]。香港地區(qū)將風(fēng)化花崗巖稱為腐巖(Saprolite),“它是指處于全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶中的并保留原有結(jié)構(gòu)的巖土混合體”[2]。

        該滑坡是寧德境內(nèi)最大的類土質(zhì)滑坡,可作為福建省內(nèi)類土質(zhì)滑坡的典型代表。僅從規(guī)模和代表性的角度就具備重要的研究?jī)r(jià)值。坡體經(jīng)過(guò)兩次大規(guī)模治理,仍不能保持穩(wěn)定。研究者認(rèn)為其與滑坡滑帶參數(shù)的選取有著重要關(guān)系,類土質(zhì)滑坡破壞后,其巖土體參數(shù)存在明顯的下降現(xiàn)象,不能以原土體強(qiáng)度參數(shù)代替滑帶參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。目前已經(jīng)有較多學(xué)者采用環(huán)剪試驗(yàn)獲取滑帶參數(shù)[3],為此,研究擬采用環(huán)剪試驗(yàn)獲取滑帶參數(shù),進(jìn)行滑坡數(shù)值模擬,其最終的治理結(jié)果和思路將為相同類型的滑坡防治研究提供較好的借鑒。因此從地質(zhì)災(zāi)害防治研究的角度出發(fā),該滑坡也具備重要的研究?jī)r(jià)值。

        1 滑坡概況

        1.1 滑坡特征及演化階段

        滑坡場(chǎng)地地處丘陵地貌單元,滑坡所在山體整體地形渾圓,山體頂部標(biāo)高133.92 m,山腳標(biāo)高48.33 m,高差約85 m,山坡自然坡度約20~35°,植被發(fā)育。滑坡中心區(qū)域內(nèi)分布地層巖性上覆主要為第四系殘積粘性土層(Q4el),下伏為燕山早期第二次侵入中?;◢忛W長(zhǎng)巖及其各風(fēng)化層(γδ52(3)b)。

        該滑坡(邊坡)共經(jīng)歷4 次主要變化階段:

        (1) 初次綜合治理階段:于2010 年8 月份對(duì)擬建設(shè)用地原始山坡進(jìn)行開挖,形成寬約155 m、高度12~28.5 m、坡度約60°的高陡邊坡。于2010 年8 月對(duì)該邊坡進(jìn)行綜合治理支護(hù),在邊坡坡腳設(shè)置長(zhǎng)約50 m,厚度約1 m,高約2 m 的毛石砼擋墻。在坡面設(shè)置了預(yù)應(yīng)力為1 000 KN 錨索框架,坡腳與坡頂設(shè)置了截排水措施。期間并未出現(xiàn)任何變形。

        (2) 滑坡初次變形階段:2012 年7 月2 日,受降雨影響,邊坡上部山坡處出現(xiàn)一道長(zhǎng)約80 m 下錯(cuò)裂縫,兩個(gè)月內(nèi)由最初的0.1 m 錯(cuò)落到現(xiàn)狀1.5~4.3 m,隨后坡面局部出現(xiàn)數(shù)道走向不一的張拉裂縫,邊坡支護(hù)區(qū)域大部分格構(gòu)梁發(fā)生錯(cuò)斷、推擠變形,坡腳地面局部出現(xiàn)隆起跡象,滑坡形成。

        (3) 二次治理階段:2013 年初對(duì)滑坡進(jìn)行綜合治理,治理工程包括在原邊坡坡頂進(jìn)行卸載并設(shè)置了抗滑樁,樁徑2 m,樁間距4 m,樁頂采用預(yù)應(yīng)力錨索加固。治理完工時(shí)間為2013 年12 月,施工完成后期間,滑坡繼續(xù)變形跡象不明顯。

        (4) 樁前土再次變形階段:2014 年7 月開始,滑坡抗滑樁前部平臺(tái)開始逐漸下錯(cuò)沉降,樁間部分擋土板發(fā)生斷裂頂出,坡面格構(gòu)梁發(fā)生斷裂,坡腳擋土墻出現(xiàn)開裂等跡象,現(xiàn)今滑坡在每次持續(xù)強(qiáng)降雨過(guò)后依然有局部變形破壞跡象發(fā)生。

        滑坡演化過(guò)程見(jiàn)圖1。

        1.2 滑坡變形監(jiān)測(cè)

        根據(jù)滑坡樁前土監(jiān)測(cè)孔C8 和坡腳監(jiān)測(cè)孔C11 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示??够瑯稑肚捌脚_(tái)監(jiān)測(cè)孔C8,變形主要分為2 個(gè)期次。初期變形累計(jì)最大位移突變區(qū)間在26 m 附近,為最初滑帶所在位置,表現(xiàn)為剪切變形。0~26 m 區(qū)間表現(xiàn)出傾斜特征,表明滑體呈現(xiàn)出整體連續(xù)變形,滑體完整性遭到破壞。二次變形在2015 年4-10 月期間,測(cè)斜孔0~9 m 區(qū)間出現(xiàn)較大變形,推測(cè)樁前土在9 m 處出現(xiàn)滑移。估算C8 孔上部累計(jì)最大位移量約150~180 mm。

        滑坡坡腳C11 監(jiān)測(cè)孔,變形分為兩個(gè)期次,初期變形最大變形量100 mm,變形突變點(diǎn)位于10 m 附近,變形量約60 mm,滑帶位于19 m 附近,表現(xiàn)為剪切變形。該區(qū)域變形最大時(shí)間為2014 年9 月,9 月以前未見(jiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),2014 年9 月以后變形趨于緩和。二期變形時(shí)間在2015 年6-10 月期間,最大累計(jì)變形量125 mm。

        2 滑坡及滑帶強(qiáng)度參數(shù)分析

        前期勘察設(shè)計(jì)階段,滑坡體物理力學(xué)參數(shù)主要通過(guò)常規(guī)的室內(nèi)直剪試驗(yàn)進(jìn)行確定,對(duì)于風(fēng)化巖體按規(guī)范取經(jīng)驗(yàn)值。主要獲取土體天然狀態(tài)(天然工況)及飽和狀態(tài)(強(qiáng)降雨工況)直剪抗剪強(qiáng)度參數(shù)用以條分法滑坡穩(wěn)定分析。最終結(jié)果如表1 所示。為進(jìn)一步研究滑帶土對(duì)滑坡穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,研究通過(guò)環(huán)剪試驗(yàn),獲取滑帶殘余強(qiáng)度參數(shù)用以替代土體強(qiáng)度參數(shù)。根據(jù)測(cè)試成果,滑坡滑帶土的殘余強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 巖土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

        3 模型設(shè)置及工況

        為了研究滑坡演化過(guò)程的變形特征和變形機(jī)理,研究選取了滑坡變形過(guò)程中的2 個(gè)階段3 個(gè)工況狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。工況①選取滑坡初步開挖并施加擋墻和錨索框架的初次綜合治理階段,工況②為施加抗滑樁的二次治理階段。另外,由于滑坡在初期變形階段已發(fā)生滑移,滑帶已經(jīng)形成,為了研究滑帶土對(duì)滑坡整體以及滑坡樁前土的影響,在滑坡二次治理階段的模擬中,根據(jù)根據(jù)階段(1)中的滑帶特征及形態(tài),引入滑帶模塊,設(shè)置了針對(duì)的對(duì)照的工況③模型。

        模型巖土體參數(shù)采用表1 常規(guī)試驗(yàn)成果,土體主要采用飽和參數(shù)。滑帶參數(shù)采用環(huán)剪試驗(yàn)得出的殘余強(qiáng)度結(jié)果,彈性模量取20 Mpa、泊松比取0.30。各工況中的抗滑樁、擋土墻采用實(shí)體單元,強(qiáng)度采用混凝土參數(shù)。由于篇幅所限僅選取滑坡中部的4-4'主剖面進(jìn)行2D 建模分析。

        4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

        數(shù)值計(jì)算結(jié)果主要通過(guò)滑坡體模型的X 方向位移變化進(jìn)行分析。X 方向位移變化主要由于該滑坡體主要進(jìn)行深部位移監(jiān)測(cè),為方便與監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行比較,選取X 方向位移作為參考值。最終分析結(jié)論如下:

        4.1 滑坡初期治理階段(工況①)

        根據(jù)工況①X 方向位移云圖(見(jiàn)圖2)滑坡中后部應(yīng)變整體分布區(qū)間達(dá)到坡面以下20~25 m 處,較推測(cè)滑坡滑面偏淺,但整體形態(tài)基本一致?;耎 方向最大位移位于坡腳,位移量約720 mm,坡體中部位移量約300~500 mm,由于該階段未進(jìn)行滑坡位移監(jiān)測(cè),無(wú)法判斷位移準(zhǔn)確性,但根據(jù)滑坡變形跡象判斷,整體變形狀態(tài)基本一致?;履P秃缶壩挥谄履_以上約50 m 位置,與實(shí)際滑坡后緣位置基本一致。

        圖2 工況①X 方向變形云圖

        4.2 滑坡抗滑樁治理階段(工況②、③)

        為了研究滑帶對(duì)滑坡體后期變形特征的影響,采用未施加滑帶的工況②和施加滑帶的工況③兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,兩種工況下除了滑帶參數(shù)變化其他各計(jì)算參數(shù)均保持一致。

        (1) 根據(jù)工況②、③模擬結(jié)果,兩種形式模擬均得出滑坡在抗滑樁施工完成后樁后土體變形量較小,主要變形集中在樁前土,這與1.2 節(jié)中的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。由此可知,抗滑樁在滑坡后期起到了一定的阻滑作用,滑坡的后期的失穩(wěn)主要為樁前土的局部變形。

        (2) 從變形現(xiàn)象及變形量角度看,根據(jù)兩種工況下滑坡的X 方向變形云圖可知,在未單獨(dú)施加滑帶情況下,最大X 方向位移發(fā)生在坡面處,樁前平臺(tái)位移約120 mm。工況③考慮滑帶的作用情況下,其在設(shè)置滑帶的位置存在明顯的應(yīng)變,抗滑樁樁前土的變形也延伸至擋墻前方,抗滑樁樁后平臺(tái)的X 方向位移達(dá)到了160 mm 左右。根據(jù)1.2 節(jié)中對(duì)滑坡位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果,在考慮滑帶的情況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更為接近。另外根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,滑坡在二次治理后期擋墻前方平臺(tái)出現(xiàn)明顯變形隆起跡象,因此,工況②模擬結(jié)果與該事實(shí)相悖,工況③模型與實(shí)際更為相符。從穩(wěn)定性分析角度上看,工況②通過(guò)強(qiáng)度折減法計(jì)算后的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.13,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但滑坡樁前土已發(fā)生變形,因此與實(shí)際情況部分。工況③滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.90,處于不穩(wěn)定狀態(tài),這與滑坡實(shí)際情況相符。綜上所述,工況③模擬成果與實(shí)際更相符。

        (3) 滑帶的加入使滑坡樁前土變形加大了40 mm,滑坡的整體變形情況受滑帶影響明顯。由此可知,該滑坡滑帶在初次變形后已經(jīng)形成,并對(duì)于后期的變形破壞仍存在一定影響。

        工況2 X 方向變形云圖和工況3X 位移云圖,見(jiàn)圖3和圖4。

        圖3 工況②X 方向變形云圖

        圖4 工況③位移云圖

        5 結(jié)論

        (1) 金鐘山滑坡涉及土石方量約25×104m3。滑坡體主要物質(zhì)為殘坡積砂質(zhì)粘性土,具部切穿全風(fēng)化層,屬推移式中層中型土巖混合質(zhì)滑坡?;挛镔|(zhì)具有一定的原巖結(jié)構(gòu),在原生狀態(tài)及破壞重塑狀態(tài)下具有明顯的強(qiáng)度差異。

        (2) 研究采用有限元對(duì)滑坡2 個(gè)變形階段3個(gè)工況進(jìn)行建模分析,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形結(jié)果及變形過(guò)程基本一致?;麦w初期變形階段滑坡以整體變形為主,抗滑樁施工完成,以樁前土的局部變形為主。

        (3) 滑帶土滑帶土在初次變形后仍對(duì)滑坡變形起到一定的影響,主要表現(xiàn)在樁前土變形受滑帶影響,整體加深,并從擋墻前部剪出。

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