復合梯鍵結構加固位置對邊坡穩定性的影響分析

孟叢叢，王富強

(江西交通職業技術學院，江西 南昌 330013)

1 概 述

在目前的邊坡治理工程中，抗滑樁多以直樁結構為主，受結構尺寸、應力變形等因素限制，單體抗滑樁治理效果一般，對樁后巖土體的充分利用及空間結構的優化認識不深。當滑坡推力增大時，通常采用增大截面尺寸及配筋量、在樁身設置預應力錨索等措施，提高抗滑樁的支擋性能。研究了一種由多個梯鍵單元組成的復合梯鍵結構，如圖1所示。結構中的梯鍵單元形成樁群，空間利用更加充分，梯鍵單元之間的協同工作能力提升了抗滑能力，充分發揮整體加固和支擋作用。適用于大體積滑坡以及當滑坡體及周邊區域分布較多的較多的建筑物、構筑物且基本不具備地表工程治理可能性的工程。

圖1 復合梯鍵結構示意圖

利用FLAC3d計算分析軟件建立模型，分析了復合梯鍵結構位于滑坡體不同位置時滑體模型的剪切應變和滑坡安全穩定系數以及結構內力，探討了在抗滑樁加固邊坡體系中，復合梯鍵結構不同設置位置對滑坡安全穩定系數、臨界滑移面的影響。

2 滑坡計算模型

研究的滑坡模型為三層，自定義強度折減層，將模型的兩側邊界和底邊界視為固定邊界約束，作為數值計算時的收斂邊界條件，將兩側及底邊界位置設置于較遠處，以減小邊界效應對模型計算時的影響。分析模型所選用的材料以及滑坡體各部位物質成分視為均質，對地下水位的變化以及地表荷載的影響等其他因素不做考慮。

分析模型長180 m，高度為118 m，由三層組成，從上至下，依次為滑坡體、滑坡帶和滑坡床。滑體縱向長度為145 m，滑坡體厚度12～30 m，最大厚度約為30 m。模型網格劃分時，共建立單元數為13 462，如圖2所示。

圖2 滑坡體模型網格劃分圖

在進行邊界條件處理時，為了便于結果的計算與分析，模型兩側的邊界以及底邊界定為遠離滑體。在滑坡體模型左側，邊界設置定義時，所有網格節點始終在X軸方向的速度不變，其具體范圍是X=-0.1和X=0.1這兩個平面內所有網格節點。對于模型右側，邊界設置定義時，所有網格節點始終在X軸方向的速度不變，其具體范圍是X=179.9和X=180.1這兩個平面內所有網格節點。模型底面邊界限制時，邊界定義在范圍Z=-0.1與Z=0.1這兩個平面內，所有網格節點保持在Z軸方向的速度不變。模型上表面設置為自由邊界，是位移變形分析的核心。自重應力場為模型的初始應力場。

3 模型的初始平衡狀態

模型計算歷時44 704步達到平衡狀態，對豎向應力、剪切應變和滑坡安全穩定系數等指標進行如下分析。

3.1 豎向應力

滑坡巖土體應力云圖在豎直方向均勻分布，表面的豎向應力基本為零并且從上至下為遞增趨勢，計算結果與實際應力狀態的基本規律相同，表明數值模擬分析較為合理。豎向應力分布如圖3所示。

圖3 滑坡巖土體的豎向應力分布圖

3.2 剪切應變

滑坡體在滑帶區域出現最大位移變化，滑坡體前后出現貫通區域，該貫通區域為滑坡的潛在破壞面。在滑帶土的上下部區域都出現較小的剪切應變增量，剪切變形量隨距離滑帶距離增大而減小，最遠處基本無剪切變形，具體見圖4。通過分析計算，在重力作用下，滑坡沿著滑帶形成貫通的剪切變形和實際應變情況相符，表明模型的建立與計算合理。

圖4 滑坡巖土體的剪切應變增量分布圖

3.3 滑坡安全穩定系數

對滑坡模型采用強度折減計算法進行安全穩定系數計算，計算結果如圖5所示。滑坡安全穩定系數為1.02，表明所分析的滑坡模型基本處于臨界穩定狀態，從而更有利于分析在添加復合梯鍵結構后的模擬效果。

圖5 滑坡巖土體安全系數分布圖

4 復合梯鍵結構在滑坡巖土體中下部

4.1 結構抗滑模型建立

在滑坡巖土體的中下部區域設置復合梯鍵結構，復合梯鍵結構設置于滑坡后。設置三級臺階進行數值模擬，臺階與臺階之間由馬蹄形橫臂和矩形豎腿相連接，形成整體抵抗滑坡推力，減小滑體的位移，提高抗滑效果。對模擬的復合梯鍵結構進行統一編號，如圖6所示。復合梯鍵結構模型參數如表1所示，定義其物理力學特征。

圖6 復合梯鍵結構樁段編號圖

表1 復合梯鍵結構各樁段模型參數

4.2 結構抗滑模擬結果

(1)剪切應變

在滑坡巖土體中下部設置復合梯鍵結構后，通過模擬分析，剪切應變增量分布如圖7所示。分析得出如下結論：①滑床區域剪切變形增量很小，接近于零，這與初始平衡狀態基本相同。滑床為基巖，處于穩定狀態并且其穩定性不會受到抗滑樁的影響，這與實際情況相符。②在滑帶部位，設置復合梯鍵結構后，其剪切變形增量接近于零。表明樁土模型發生相互鎖固作用，復合梯鍵結構對抵擋滑坡滑動有顯著效果。③滑帶的上部位置未設置復合梯鍵結構，發生了一定剪切變形增量，但其增量與未設置復合梯鍵結構相比減小了10%左右，充分表明復合梯鍵結構在抵擋滑坡滑動時起到的顯著作用。④在整個滑帶區域，未見剪切應變貫通現象。

圖7 復合梯鍵結構抗滑模型剪切應變分布圖

(2)滑坡安全穩定系數

采用強度折減理論對復合梯鍵結構進行安全穩定性分析，滑坡安全穩定系數為1.34，大于1，說明整個滑坡巖土體處于穩定狀態，未產生明顯的滑坡。通過設置復合梯鍵結構，滑坡安全穩定系數顯著提升，體現了復合梯鍵結構起到的顯著效果。

5 復合梯鍵結構位于滑坡巖土體中上部

5.1 結構抗滑模型建立

將復合梯鍵結構設置于滑坡巖土體中上部區域。物理力學參數、結構的連接方式和幾何尺寸與設置于中下部時完全一致，由此分析復合梯鍵結構設置位置這個單一因素產生的影響。

5.2 結構抗滑模擬結果

(1)剪切應變

在滑坡巖土體中上部設置復合梯鍵結構后，通過模擬計算分析，剪切應變增量分布如圖8所示。分析得出如下結論：①滑坡的中上部其剪切變形量有一定程度的減小，較未設置支擋結構之前，變形量減小5%左右，設置復合梯鍵結構可有效降低滑坡體的整體剪切變形程度，穩定性提高，該支擋結構起到了顯著的阻滑效果。②滑坡的中部和滑坡的前部，其剪切變形較未設置支擋結構前雖有一定的減小，但是減小的程度較低。同時，在滑坡的中下部，仍然出現明顯的剪切破壞面，說明復合梯鍵結構置于滑坡的上部時，對滑坡中下部加固效果有待提高。

圖8 復合梯鍵結構抗滑模型剪切應變分布圖

(2)滑坡安全穩定系數

采用強度折減理論對復合梯鍵結構抗滑模型進行安全穩定性分析，滑坡安全穩定系數為1.28，安全穩定系數大于1，表明滑坡巖土體處于穩定狀態，未產生滑坡趨勢，與不設置復合梯鍵結構相比，滑坡安全穩定系數明顯增加。

6 復合梯鍵結構位于滑坡巖土體中部區域

6.1 結構抗滑模型建立

將復合梯鍵結構設置于滑坡巖土體中部，僅改變復合梯鍵結構設置位置，物理力學參數、結構連接方式和幾何尺寸與設置于在滑坡中下部和中上部模擬時相同。

6.2 結構抗滑模擬結果

(1)剪切應變

在滑坡巖土體中部設置復合梯鍵結構，剪切應變增量分布如圖9所示。得出如下結論：①滑床區域未見明顯的剪切變形增量，這與初始平衡狀態基本相同。在滑帶部位，設置復合梯鍵結構后，滑帶的中部、前部均未見明顯剪切變形，穩定性良好，滑帶上部雖然有一定的剪切變形，但是變形量很小，這主要是與較陡的地勢有關，土體在局部范圍內發生變形。②滑坡最大剪切變形量較未設置復合梯鍵結構有了十分顯著的降低，復合梯鍵結構在該部位能夠很好的發揮其加固滑坡的作用，使滑坡達到整體穩定。

圖9 復合梯鍵結構抗滑模型剪切應變分布圖

(2)滑坡安全穩定系數

采用強度折減理論對復合梯鍵結構抗滑模型進行安全穩定性分析，計算結果顯示，滑坡安全穩定系數為1.52，大于1，說明滑坡巖土體處于穩定狀態，沒有產生滑動趨勢，相對于未設置梯鍵結構的天然狀態，滑坡安全穩定系數明顯增大。

7 不同加固位置計算結果對比分析

7.1 剪切應變結果對比分析

將各種情況的最大剪切變形量匯總，如表2所示。對比分析得出以下結論：(1)設置復合梯鍵結構的滑坡巖土體最大剪切變形量較未設置復合梯鍵結構的減小90%以上，即剪切變形量得到顯著改善。(2)當復合梯鍵結構設置在滑坡體中部時，最大剪切變形量最小，支擋結構設置在滑坡中下部區域時，剪切變形量次之，支擋結構設置在滑坡中上部區域時，剪切變形量最大。因此將復合梯鍵結構置于滑坡中部區域時，抗滑效果最為顯著，置于滑坡中下部區域次之，置于滑坡中上部時，抗滑效果較差。

7.2 滑坡安全穩定系數對比分析

將各種情況的安全穩定系數結果進行匯總，如表3所示。對比分析得出以下結論：(1)采用復合梯鍵結構對滑坡進行支擋時時，滑坡安全穩定系數都會有不同程度的提高，表明該支擋結構無論置于滑坡的任何位置，都可以增加滑坡的安全穩定性。(2)在其他條件不變的情況下，將復合梯鍵結構置于滑坡的中部時，抗滑效果最佳，位于滑坡中下部區域時效果次之，將復合梯鍵結構置于滑坡的上部時，抗滑效果不明顯。終上所述，滑坡支擋結構置于滑坡的不同部位時，對滑坡的加固效果會有顯著的差異，并且支擋結構置于滑坡的中部，抗滑加固效果最佳。

表2 不同加固位置的最大剪切變形量

表3 不同加固位置的滑坡安全穩定系數

8 結 語

(1)采用復合梯鍵結構對滑坡進行加固時，當復合梯鍵結構在滑坡中部時，滑坡最大剪切變形量最小，滑坡的安全穩定系數最大，與未設置加固結構的滑坡體相比，穩定性提高約50%，較將復合梯鍵結構設置于滑坡巖土體中下部或中上部時，穩定性提高10%～20%。

(2)采用復合梯鍵結構進行滑坡加固時，在其他條件不變的情況下，應將該結構置于滑坡巖土體的中部區域，以更好地發揮阻滑作用。