抗滑樁加固邊坡效應數值模擬分析

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廣泛發育的一種地質災害，由于其規模大、分布廣泛和危害性大，因此容易造成較大的社會影響。滑坡治理方法種類較多，如抗滑樁、截排水措施、削方減載、錨索以及格構等。其中，抗滑樁方案因其布置靈活和治理效果好，被廣泛應用于各類滑坡的治理工程中。

由于抗滑樁應用范圍廣泛，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，結果表明不同的滑坡運動模式對應抗滑樁最優布設位置有所不同，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有關。林久平等[2]依托實際工程，采用理論方法，根據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，結果表明該技術對于邊坡的加固效果良好，應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，抗滑樁易發生彎曲破壞的結果。刁海珠[5]基于FLAC3D數值模擬，研究了抗滑樁加固參數對邊坡穩定性影響，結果表明在一定范圍內，邊坡穩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三門洞滑坡抗滑樁加固的影響，結果表明采用30 m的矩形柱可達到良好的治理效果。白凱文、解惠[8]采用數值模擬研究了滑坡位移特征的抗滑樁樁位優化特性，結果表明通過采用數值模擬，優化抗滑樁至滑坡變形最大時，可獲得最優加固樁位，取得最優治理效果。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，結果表明圓截面抗滑樁在復雜地質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勢。黃達等[10]基于土拱效應，研究了懸臂式抗滑樁加固作用機制，分析土拱的三維形態特征，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，結果表明巖體參數的空間變異性對抗滑樁的響應有顯著影響，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

2.1 數值模型

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，降水持續時長為3 d。根據計算剖面，建立數值計算模型，見圖2。選取模型的3個監測斷面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ進行詳細分析，提取監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個方向的位移計轉角；左右兩側約束水平位移；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，并在模型左右兩側施加10 m的水頭邊界。

圖1 邊坡典型剖面圖

圖2 數值模擬圖

2.2 巖土體物理力學參數

坡殘積土采用M-C本構模型，抗滑樁、基巖以及網格梁采用彈性本構。具體材料的物理力學參數見表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；φ為土體的基質吸力。

本文所使用土體的土水特征參數見表2。

表1 材料力學參數

表2 巖土體非飽和滲透特性參數

3 計算結果與分析

3.1 孔隙水壓力特征

圖3為3個能監測斷面沿厚度方向孔隙水壓力的變化規律。結果表明，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為0，表明坡體出現暫態飽和區。隨著降雨進一步增大，飽和區域不斷擴大，坡腳處的孔隙水壓力大于坡肩和坡中位置。總體表明，持續降雨下，坡腳位置處巖土體為最不穩定區域。

圖3 不同位置處孔隙水壓力隨厚度變化規律

3.2 體積含水率特征

圖4為3個能監測斷面沿厚度方向體積含水率的變化規律。結果表明，隨著降雨時長的持續增加，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，表明出現暫態飽和區，并且不斷向上擴展。降雨結束時，地下水位線降低至0 m。總體表明，降雨導致的坡體失穩首先發生于坡腳；當坡腳發生滑坡時，會進一步牽引坡體上部失穩破壞，最終會形成牽引式滑坡。因此，實際工程中應注意在坡腳處設置排水溝，以保證邊坡排水及時，保證坡體穩定性。

圖4 不同位置處體積含水率隨厚度變化規律

3.3 安全系數計算分析

采用強度折減法計算邊坡加固前后的穩定系數并匯，見表3。結果表明，加固前，坡體的穩定性系數均小于1.15。隨著降雨持續時間的增大，穩定系數不斷減小；到降雨持續3 d時，穩定系數僅為1.01，邊坡處于欠穩定狀態。采用抗滑樁對邊坡進行加固后，邊坡的穩定性大大增強。加固后的穩定系數均大于規范規定的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 加固前后穩定系數隨降雨變化規律

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。結果表明，加固前，降雨持續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持續降雨下，邊坡處于失穩狀態。采用抗滑樁加固后，降雨持續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，坡體處于穩定狀態。

表4 加固前后邊坡最大水平位移

3.5 最大剪應力分析

圖5為不同監測斷面處最大剪應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，坡腳處的土體剪應力由33 kPa 減小至22 kPa；坡頂處的土體剪應力由20 kPa 減小至18 kPa。斷面Ⅲ中，坡腳處的土體最大剪應力由33 kPa 減小至15 kPa；坡頂處的土體剪應力由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，進而產生土拱效應[12]，降低了最大剪應力，有效保證坡體穩定性。

圖5 不同位置處最大剪應力隨厚度變化規律

4 結 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定系數變化規律，結論如下：

1) 持續降雨下，坡體孔隙水壓力和體積含水率均增大；隨著降雨持續時間的增大，坡腳處最先出現暫態飽和區，也即坡腳處屬于邊坡最不穩定的區域。進一步增大降雨時間，地下水位線升高，坡體飽和區不斷向坡體內部擴展和延伸，坡體的穩定性下降。

2) 采用強度折減法計算邊坡加固前后的穩定性表明，加固前，坡體的穩定性系數均小于1.15。隨著降雨持續時間的增大，穩定系數不斷減小；到降雨持續3 d時，穩定系數僅為1.01，邊坡處于欠穩定狀態。采用抗滑樁對邊坡進行加固后，邊坡的穩定性大大增強。加固后的穩定系數均大于規范規定的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，表明加固效應明顯。此外，最大剪應力分布規律也表明，抗滑樁的布置可保證邊坡安全。