庫岸邊坡抗滑樁上滑坡推力數(shù)值分析

辛亞輝，熊啟東，李成芳

（1重慶大學土木工程學院 重慶 400045 2重慶市建筑科學研究院 重慶 400015）

1 引言

庫水位變化對庫岸邊坡巖土體產生的力學效應，體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是滑坡巖土體軟化，即抗剪強度降低。水庫蓄水后，一方面巖土體飽水軟化，由于水的潤滑作用，土體顆粒間的摩阻系數(shù)及膠結能力降低，邊坡潛在滑動面抗剪參數(shù)C、Φ降低，進而降低了坡體的抗滑力；另一方面，當水庫運行時，庫水位反復升降，使得坡體內出現(xiàn)循環(huán)的滲流作用，地下水滲流對坡體產生溶濾作用，即細小顆粒在地下水的作用下發(fā)生運移，坡體出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象，坡體潛在滑動面出現(xiàn)細觀或宏觀上的孔穴，從而使得潛在滑動面的抗剪強度降低。

二是浮托力。水位上升階段，浸沒于庫水中的巖土體受到水的浮托作用，減小了滑體的有效重量，降低了滑面的阻滑力，在庫水位陡降時，巖土體由于浮托力消失而有效重度增加，導致坡體失穩(wěn)破壞。

三是滲透力。水位陡降引起巖土體內地下水滲流運動而產生滲透力是導致邊坡失穩(wěn)的一個重要因素。庫水位陡降時，存在于庫岸邊坡巖土體中的地下水，其水位下降有一定的滯后，此時在邊坡中就產生滲透水壓力，造成邊坡穩(wěn)定性降低，容易誘發(fā)庫岸滑坡，特別是庫岸邊坡透水性小的時候，這種影響就更加明顯。

庫水位變化，造成滑坡推力發(fā)生變化，進而影響著抗滑樁的內力與變形，而這種推力的變化對抗滑樁支擋結構的安全有多大影響，國內外研究尚不充分。本文通過一工程案例，采用有限元數(shù)值分析方法，對這一課題進行探討。

2 工程案例概況

重慶三峽庫區(qū)某滑坡治理工程，位于長江岸邊，滑坡后緣具有明顯的圈椅狀地形，滑坡后壁地貌清晰，高程320～250m，地形坡度約400，出露強風化紫紅色粉砂質泥巖，滑體后部為滑坡平臺，坡度約80。高度220m以下為坡度170的斜坡，其中高度175m有一緩坡臺階。滑體前緣剪出口位于長江河漫灘之上，高程約為146m。滑體的主滑方向為1500～1700，滑動面平均坡度200左右，滑體厚度在8～28m之間，其后緣平臺及中部厚度較大，前緣相對較薄，滑體面積12萬平方米，總方量300萬立方米，屬于大型滑坡。

該滑坡體的地層巖性為:斜坡體表面為碎石土，由灰?guī)r、泥灰?guī)r塊石、碎石組成，塊石直徑20～100cm，呈棱角狀，結構松散～稍密，稍濕。碎石土之下為粉質粘土，坡積成因，位于滑面上則成為滑帶土，可塑狀～硬塑狀，含不均勻分布的泥巖碎石，土質較均勻。粉質粘土之下為泥巖。

3 數(shù)值分析

3.1 計算參數(shù)

選取一典型地質剖面如圖1所示，其中，抗滑樁的截面為3.0×4.Om，樁長為33m，滑面以上樁長為20m。滑坡體主要巖土參數(shù)如表1所示。

圖1 滑坡體主滑方向典型地質剖面圖

表1 滑坡體計算參數(shù)

3.2 模型建立

利用ANSYS軟件的前處理建模型。由于垂直于典型剖面方向比較長，整個模型按理想彈塑性體的平面應變問題處理，所以采用有限元的單元類型：碎石土(滑體)和粉砂質泥巖(滑床)均為“Quad 8node 82”單元，粉質粘土(滑帶)和抗滑樁為“Quad 4node 42”單元。巖土體本構模型采用Drucker-Prager模型。計算模型中采用的位移邊界條件為：左右邊界為水平向約束，底邊界為水平、垂直兩向約束，坡面為自由約束。有限元劃分時采用4結點4邊形單元和3結點3角形單元，有限元模型如圖2所示。考慮到地表降雨和地下水滲入到滑坡導致滑坡體浸水面積增加，滑動面上的有效應力降低，部分滑帶飽水后抗剪強度降低的影響。ANSYS分析中，用強度折減法來考慮這一因素對滑坡的影響，即假定抗剪強度的內摩擦角和粘聚力進行折減，即

3.3 計算結果分析

圖2 有限元計算模型

ANSYS分析時，庫水位作用下的滑坡推力變化情況分三種工況進行計算，分別得到了各工況下滑體的位移云圖及推力分布云圖，計算結果如下：

（1）第一種工況：自重+庫水位145m

ANSYS計算得到的位移云圖如圖3所示，計算得到的滑坡推力分布云圖如圖4所示。

圖3 庫水位145米時位移云圖

圖4 庫水位145米時滑坡推力云圖

從第一工況位移云圖（圖3）中可看出，滑體變形最大的部位發(fā)生在坡體后緣，變形量為24.4cm；而抗滑樁位置處變形量最小，水平最大位移為2.4cm，發(fā)生在樁頂，這些變形特點符合滑坡發(fā)生、發(fā)展的基本規(guī)律。

由第一工況滑坡推力云圖（圖4）中可知，沿樁身軸線，滑坡推力基本呈梯形分布，應力逐步增加，在滑面位置處達到最大。由于抗滑樁樁身在推力作用下發(fā)生撓曲變形，致使樁頂下局部范圍內，樁身與土體之間脫開，接觸應力為零。

（2）第二種工況：庫水位由145m上升到175m

ANSYS計算得到的位移云圖表明（圖5），隨著庫水位的上升，滑坡坡體前后緣變形量均在增大，坡體后緣變形量為28.9 cm，與蓄水前相比，增加了4.5cm；而樁頂水平位移為4.9cm，與蓄水前相比，增大了2.5cm。計算結果表明，庫水位上升后，滑體的物理力學特性出現(xiàn)惡化，抗剪強度降低，變形量相應增加。

庫水位上升后，滑坡推力分布圖式沒有發(fā)生改變，仍呈梯形分布（圖6），但樁后滑坡推力明顯增大，增長幅度約23%。

圖5 庫水位上升到175米時位移云圖

圖6 庫水位上升到175米時滑坡推力云圖

（3）第三種工況：庫水位由175m下降到145m

由庫水位下降產生的位移云圖可發(fā)現(xiàn)（圖7），滑坡體后緣的變形量為41.7cm，增長幅度較大；而抗滑樁樁頂變形量亦繼續(xù)增大，實際變形值為12.9cm，其變化幅度也進一步增大。位移云圖同時可看出，水位陡降階段，坡體中下部變形要比坡體后緣變形量大。而從滑坡推力變化情況分析（圖8），水位下降引起的滑坡推力增長幅度更大，表明滲透壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響要比靜力荷載的影響更為明顯。

4 結語

本文通過一工程案例，利用ANSYS大型有限元分析軟件，模擬計算了在三峽庫水位漲落情況下，滑坡推力的變化特性，得到了如下結論：

圖7 庫水位下降到145米時的位移云圖

圖8 庫水位下降到145米時滑坡推力云圖

（1）樁后滑坡推力分布圖式呈梯形分布，滑面位置處推力最大，這一特性與天然狀態(tài)下基本一致，但在飽水狀態(tài)下，滑面處應力有突變現(xiàn)象；水位上升階段，樁頂由于與土體脫開而出現(xiàn)接觸應力為零的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在庫水位瞬時下降時，由于土體變形較大而消失。

（2）水位下降引起的滲透壓力對邊坡穩(wěn)定性的影響要比靜力荷載的影響更為明顯。

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