G214線囊謙至多普瑪段滑坡治理措施研究*

高文軍， 屈耀輝， 楊存進， 吳紅剛

(中鐵西北科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

囊謙至多普瑪段是G214線的重要組成部分，其中特殊困難路段約6.5 m，路面寬度為7.5 m。該路段位于青海東部偏南地區玉樹藏族自治州囊謙縣境內，該地區自從新生代(KZ)以來地殼新構造運動頻繁發生，地質構造及地形地貌復雜多變，地層巖性較差，斷裂破碎帶與褶皺不斷增長，受人為因素及降雨等的影響，經常出現滑坡、路基下陷及邊坡塌滑情況。常見滑坡治理方式包括坡面防滑與排水等。坡面防護是向坡面上噴射砼，從根本上防止滑坡的發生，但其成本較高，只適合小面積滑坡，不適用于滑坡多發的大面積區域；通過排水解決滑坡，需大面積布置排水孔和砼片石，工序過于麻煩。使用抗滑樁加固滑坡巖土，將抗滑樁插入滑動面下的穩定層中，利用穩定地層巖土錨固作用抵抗滑坡推力，從而穩定坡體結構。該文研究抗滑樁治理囊謙至多普瑪段公路滑坡的情況，并研究濕化作用對抗滑樁的影響。

1 抗滑樁治理滑坡分析

1.1 結構有限元分析

該路段滑坡抗滑樁橫截面見圖1。

圖1 抗滑樁橫截面

使用有限元法計算抗滑樁，能考慮影響樁基工作性能的所有因素，包括動力效應、固結效應及非線性性質等，能充分考慮三維效應計算樁周及樁中的變形和應力。數值模擬抗滑樁時會遇到很多影響因素，包括抗滑樁和土體之間的相互作用、砼中鋼筋用量、土體物理力學指標和變形指標。模擬抗滑樁和周圍土體相互作用時使用非線性彈性單元。為加強有限元模型的非線性求解收斂性，采取如下措施： 1) 使用增量求解技術，結合線性搜索技術，實現變形歷程跟蹤。2) 合理劃分荷載子步數，降低非線性程度。

計算非線性時最常用的收斂方式為力收斂準則和位移收斂準則。采用位移收斂準則時總位移精確值t+ΔtwT與第i次迭代生成的位移增量Δw(i)的比值需保持在一定精度內，公式如下：

(1)

式中：lw、‖‖2分別為給定的位移精度與矢量的二范數。

一般情況下按下式判斷：

(2)

與位移收斂準則相對的力收斂準則為：

(3)

式中：e為力的增量。

抗滑樁結構計算時，力收斂準則精度控制在2%～5%，位移收斂初始容差低于1%。為實現收斂，降低收斂容差，反復計算后，獲得逐漸平穩的相鄰誤差求解結果，使用二范數收斂準則調整收斂精度。解決非線性求解收斂性問題后，構建抗滑樁有限元模型。

1.2 濕化有限元分析

(1) 劃分網格與模型計算。邊坡發生干濕循環，導致滑坡。該項目所在地區年降水量較高，降水時間較長，需進行濕化有限元分析。邊坡計算網格見圖2，抗滑樁長度與樁徑分別為10、1 m。抗滑樁有限元計算分為兩級，一級是在巖層和土層中的原始應力狀態；另一級是由于降雨導致的入滲濕化。該項目因降雨入滲導致土體膨脹，水分不能正常向下入滲，通常情況下入滲深度為2～4 m，數值模擬時設定濕化深度為3 m。采用等應力法分析濕化作用對抗滑樁受力和變形特性、邊坡安全的影響。

圖2 邊坡濕化模型

(2) 本構模型與計算參數。土體變形受到加荷應力路徑與荷載大小的影響，應力應變關系呈現非線性。土體的變形性狀采用鄧肯非線性彈性模型模擬，采用鄧肯E-v模型：

(4)

(5)

假設土體為一種均質各向同性材料，通過濕化變形試驗獲取計算參數，表1為鄧肯E-v模型的計算參數，表2為抗滑樁-接觸面耦合彈簧的計算參數。

表1 鄧肯E-v模型的計算參數

表2 抗滑樁-接觸面耦合彈簧的計算參數

模型左右兩側施加X向約束，前后兩側及底側分別施加Y、Z向約束，模擬路堤荷載作用下邊坡軟弱地基面的沉降。獲取天然地基初始單元，不考慮抗滑樁和路堤單元，對路堤的水平分層分布進行模擬，得到整個土體的側移與沉降。

2 模擬結果與分析

使用Surfer軟件繪制土工離心模型與FLAC3D模型，針對使用抗滑樁和未使用抗滑樁2種工況進行分析，得到邊坡軟弱地基區域在路堤荷載作用下位移等值線圖(見圖3)。從圖3可看出：未使用抗滑樁時邊坡坡腳出現較明顯的地層隆起，而使用抗滑樁后未出現明顯隆起，抗滑樁對地基的水平位移發揮了限制作用，說明抗滑樁能有效治理囊謙至多普瑪段公路滑坡。

圖3 位移等值線圖(單位：mm)

設置2.5、4.5、6.5、8.5 m 4種抗滑樁樁距，其他參數不變，分析抗滑樁樁距敏感性。4種工況下沿抗滑樁深度方向(X方向)的水平位移與彎矩分布見圖4。從圖4可看出：樁距越大，抗滑樁承受的水平位移與彎矩越大，總體增長趨勢較緩和，表明邊坡內的側向荷載向抗滑樁轉移，需提高抗滑樁的剛度才能有效治理滑坡災害。綜合考慮成本和可行性，確定抗滑樁樁距為4.5 m。

圖4 樁距對抗滑樁水平位移與彎矩的影響

濕化作用會對抗滑樁造成影響，圖5、圖6為濕化前后抗滑樁受力和變形的變化情況。從圖5、圖6可以看出：受濕化作用影響，抗滑樁的大主應力在抗滑樁深度為5 m時出現較大增幅，主要是由于邊坡和抗滑樁之間協調變形，上部土體產生的下滑力由抗滑樁承擔，阻止土體下滑，有效治理滑坡災害；抗滑樁深度對小主應力的影響較小，且出現反復變化；隨著抗滑樁深度的增加，濕化作用對抗滑樁位移的影響越來越小，主要原因是濕化只在土體表層發生，抗滑樁埋放較深時，土體濕化不會對抗滑樁產生影響；濕化作用對抗滑樁沉降的影響較小，在5 mm內，但沉降增幅約80%，濕化作用對抗滑樁沉降的影響較大。

圖5 濕化作用對抗滑樁應力的影響

圖6 濕化作用對抗滑樁位移沉降的影響

3 結論

采用抗滑樁治理G214線囊謙至多普瑪段公路滑坡，解決非線性求解收斂性問題后，構建有限元模型對抗滑樁加固進行計算，模擬路堤的水平分層分布，獲取整個土體的側移與沉降。結果顯示：樁距會對抗滑樁治理滑坡造成影響，樁距越大，抗滑樁承受的水平位移與彎矩越大；巖土的濕化作用也會對抗滑樁治理滑坡造成影響，濕化會提升抗滑樁的大小主應力，增加邊坡穩定性。