典型牽引式滑坡數值模擬及治理措施研究

摘要：牽引式滑坡是高速公路施工中常見的邊坡破壞形式。文章以陽朔至平樂高速公路典型牽引式滑坡為例，對牽引式滑坡的特性進行研究，并結合該滑坡的勘測數據和地形數據，建立滑坡有限元模型進行破壞模式和治理機制分析。結果表明，牽引式滑坡是由于底部坡腳失穩造成對上部土體支撐力不足，進而引起中上部結構失穩下滑，在實際工程中可采用加固坡腳、增加坡腳抗滑力的方式進行治理。

關鍵詞：牽引式滑坡；有限元；治理；抗滑樁；破壞機理

中圖分類號：U416.1+4 A 09 031 3

0 引言

牽引式滑坡是一種常見的滑坡形式，該形式滑坡主要發生在具有一定坡度的地形中。牽引式滑坡的主要原因是下層土體受坡腳開挖等因素影響而產生滑動，進而造成與之相鄰的上層土體失去下部支撐而發生失穩下滑，由此產生連鎖反應造成斜坡土體連續出現滑動，其失效形式并不是一次性發生，而是隨著時間遷移不斷發生滑坡。牽引式滑坡影響范圍大，持續時間長，如果不及時處理，滑坡面會不斷擴大，在實際工程中應當對其進行及早預防和處理。

一些學者和研究機構對牽引式滑坡的機理和治理措施進行了研究。黃義佳［1］對牽引式滑坡形成原因、形成位置和治理方案進行了綜合研究。王忠禹等［2］以牡丹江市青梅東山為例，對牽引式滑坡的特征及其形成機理進行了分析。李效萌等［3］結合贛東地區的積土質牽引式滑坡，對該類型滑坡的穩定性和破壞模式進行了分析。李曉龍［4］對國道212線牽引式滑坡的穩定性和加固措施進行了分析，呂錦良等［5］針對南京市土質進行了類似的研究。陳文勝等［6］采用條分法對牽引式滑坡破壞機理進行了研究。孫立娟［7］結合牽引式滑坡試驗，對該類型滑坡的失穩機理和演化過程進行了系統研究。由此可知，牽引式滑坡情況復雜多變，需要結合實例對其進行研究。

本文以陽朔至平樂高速公路段牽引式滑坡為例，對其相關特征進行分析。楊旭東等［8］對該滑坡進行了堆載反壓條件下的滑坡變形規律分析及參數反算，表明堆載反壓是有效的應急處置措施。本文結合有限元模型，對牽引式滑坡的形成機制進行了分析，并對滑坡治理中抗滑樁治理措施進行了優化分析。結果表明，牽引式滑坡由坡腳的開挖和沖刷造成滑坡面從下到上不斷失穩，可通過抗滑樁等方式固定坡腳進行治理。

1 工程概況

陽朔至平樂高速公路K2588+885（K97+120）～K2589+003（K97+238）段屬丘陵地貌，路基采用挖方路塹方式通過，路基設計標高約為128.29～128.53 m，左側路基最大挖方高度約為25 m，位于K2588+925（K97+160）處。K2588+885～K2589+003段左側挖方路塹設計情況如下：坡比為1∶1，分3級放坡，底部2級高度為10 m，級間留設1.5 m寬平臺，坡頂設置M7.5漿砌片石截水溝（50×50 cm），防護形式為U型釘+三維植被網滿鋪草坡防護。

2016年年初，高速公路路基采用挖方路塹，遺留下近似垂直的陡坡，隨著時間推移，陡坡發生滑塌；2016年7月，K2588+003左側涵洞口附近臺階形漿砌片石擋墻出現開裂起鼓破壞；2017年8月逐步形成蠕動變形的滑坡。

2 牽引式滑坡機理分析

該滑坡發育于陽朔至平樂高速公路K2588+950左側斜坡地帶，巖土體內部原有的應力狀態將隨著成坡過程的進行而發生變化，引起應力重分布和應力集中等效應。斜坡內部剪應力不斷增加，在斜坡內逐漸形成很多應力集中帶。當斜坡內某一部分巖土體抗剪強度小于剪應力后，該部分巖土體首先產生變形破壞，隨后變形逐漸發展，直至坡面出現斷續的拉張裂縫。隨著滑坡拉張裂縫及剪切裂縫的形成以及滲水作用的加強，坡體巖土體物理力學性質不斷下降，直接促進滑動面發育貫通。最終滑坡發生整體滑動的破壞變形，過大的滑坡推力和較深的滑面位置，導致擋墻失效破壞，進而形成滑坡。根據已滑動巖土體規模及滑坡平面形狀、滑動面埋深、滑坡變形規律及力學性質特征，按《公路工程地質勘察規范》（JTG C20-2011）判斷，該滑坡屬中層牽引式中型滑坡。

對于牽引式滑坡，其滑動面呈現為前部傾角較大，中后部傾角降低。牽引式滑坡可主要分成3個部分：阻滑段、主滑段和張拉段，如下頁圖1（a）所示。牽引式滑坡的穩定機制是：前部依靠坡腳的抗滑力形成穩定形態；中部依靠前部提供的抗滑力保持穩定；后部依靠中部提供的抗滑力保持穩定。各個部位之間相互依存，依次為其上部結構提供抗力。牽引式滑坡阻滑段如果受到外力干擾滑動破壞，進而無法對其相鄰的中部主滑段提供抗力支撐，使其相鄰土體開始破壞，于是引起連鎖反應造成上部結構不斷失穩，如圖1（b）所示。牽引式滑坡由于不是整體產生滑動，而是逐段逐層滑動，因此一般持續時間較長。在陽朔至平樂高速公路段牽引式滑坡中，2016年年初產生的滑塌現象，一直持續到2017年年底，可見牽引式滑坡持續時間之長。

3 有限元分析及治理措施

以該滑坡為例，對其進行有限元分析和治理措施研究。綜合室內試驗和現場原位測試成果，病害路段各巖土層物理特性參數如表1所示。

滑坡治理方式主要以人工干預提供抗力為主，有限元模型以典型的抗滑樁治理模式為例進行分析。有限元模型如圖2所示，牽引式滑坡滑動面發育特性如圖3所示。該工程是由于坡腳取土和雨水沖刷造成邊坡失穩，因此為模擬牽引式滑坡的發生，在坡腳處進行切坡，人為造成邊坡失穩。由圖3（a）可以看出進行切坡之后最大位移發生在坡腳處，這與前文分析的牽引式滑坡失效模式是一致的，即首先在坡腳處失效。如圖3（b）所示，滑動面由底部逐漸向邊坡上部發展。

在抗滑樁尺寸和分布模式一定的情況下，抗滑樁設置的關鍵因素在于位置。抗滑樁中心至滑坡切坡位置的水平距離為l，滑坡切坡位置至滑坡后緣水平全長為L，設置不同的l/L數值，進行抗滑樁位置與治理效果的相關性分析，結果如圖4所示。當抗滑樁設置于坡腳處時，這個滑坡未產生較大位移；當抗滑樁略遠離坡腳處時，位移開始增加且最大位移處于坡腳處；當抗滑樁遠離主滑段時，抗滑樁效果大大降低；當l/L=0.9時，與不布置抗滑樁效果相當，抗滑樁提供抗滑力的效果消失。

為了定量分析抗滑樁位置對滑坡處理效果的影響，選取滑坡最大位移和穩定系數作為兩個參考標準進行對比，結果如表2所示。穩定系數定義為滑面上全部抗滑力與滑動力之比，如式（1）所示。l/L=0為不設置抗滑樁情況，該工況為其他工況的對比工況。由表2可以看出，隨著l/L增加，穩定系數呈現先增大后降低的規律，最大位移呈現先減小后增大的規律。

κ=FsFn（1）

式中：κ——滑坡穩定系數；

Fs——滑面抗滑力；

Fn——滑面滑動力。

當l/L=0.1時，穩定系數最大，滑坡最大位移最小；當l/L=0.8和0.9時，抗滑樁幾乎不產生作用。這與前文分析得到的牽引式滑坡機理是一致的。因為牽引式滑坡是由坡腳失穩引起的連鎖反應，造成中部和上部土體失穩進而逐漸滑動。由此可見，坡腳失穩是中上部土體失穩的誘因，也是牽引式滑坡破壞的核心因素，因此在坡腳進行抗滑樁固定效果最好。而當抗滑樁位于中部（l/L=0.6）時，抗滑樁對于坡腳土體抗滑力的增強作用大幅度降低，因此穩定系數降低且最大位移增加；當抗滑樁位于上部（l/L=0.9）時，抗滑樁對坡腳不產生影響而失去作用，此時該工況與不設置抗滑樁相同。

4 工程驗證

基于上述分析可知，對于牽引式滑坡最有效的方式是在坡腳進行固定，增加坡腳土體抗滑力。為此，對該滑坡設計采用抗滑樁板式支擋結構進行防護，將該抗滑樁板式結構設置于坡腳上部1.487 m處。設計方案如下：（1）抗滑樁直徑為1.8 m，樁長為24 m，出土段為5 m，埋入段為19 m，滑動面以下嵌固段為17.513 m，樁中心距為4.5 m，樁身強度為C30混凝土；（2）樁間設置1塊現澆C30混凝土擋板，擋板長為2.7 m，厚為0.4 m，高度為5.5 m；（3）滑坡前緣頂部設置60 cm×60 cm漿砌片石截水溝，翻挖回填碾壓封閉滑坡裂縫，恢復滑坡植被。

為了驗證該滑坡治理措施效果，對滑坡變形進行監測。監測結果顯示，滑坡處治施工期間，各監測點累計位移變形為1.7～7.5 mm。因前緣抗滑樁發揮有效支擋作用，滑坡處治施工完成后一年的監測驗證周期內，樁頂累計位移僅為2.80～3.05 mm，深淺層滑面變形得到遏制。這表明處治施工對深層滑面的支擋效果良好，整體上抗滑樁支擋結構可靠，可以控制滑坡整體穩定。

5 結語

牽引式滑坡是有坡度山體經常發生的一種滑坡破壞形式。本文結合實際高速公路中發生的牽引式滑坡案例，對牽引式滑坡的形成機制和治理措施進行了研究分析，得到以下結論：

（1）牽引式滑坡災害屬于坡腳阻滑段失穩而引起主滑段和張拉段不斷失穩的破壞形式。牽引式滑坡的主要發生原因是坡腳被人為開挖或者被雨水沖刷，造成上部土體缺乏支撐結構所致。

（2）牽引式滑坡主要由于坡腳失穩造成，因此在實際工程中可采用固定坡腳、加強坡腳抗滑力的方式進行防治。本文中采用抗滑樁固定滑坡坡腳的措施，取得了很好的效果，該措施可以為類似工程提供參考。

參考文獻

［1］黃義佳.牽引式滑坡成因機制分析及治理措施［J］.西部探礦工程，2021，33（11）：32-34，39.

［2］王忠禹，佟智強，楊洪祥，等.牡丹江市青梅東山牽引式滑坡特征與成因機制分析［J］.城市地質，2021，16（3）：287-293.

［3］李效萌，李 甜，劉金輝，等.贛東地區小型牽引式殘坡積土質滑坡穩定性及破壞模式分析［J］.科學技術與工程，2021，21（22）：9 236-9 242.

［4］李曉龍.國道212線南充貓兒山段牽引式滑坡穩定性分析及加固措施研究［J］.甘肅水利水電技術，2021，57（4）：47-51.

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［7］孫立娟.基于滑帶軟化的牽引式滑坡漸進失穩機理及其演化試驗研究［D］.成都：西南交通大學，2019.

［8］楊旭東，彭春祿，陳 全，等.在堆載反壓條件下的高速公路滑坡變形規律及參數反算分析［J］.西部交通科技，2020（11）：90-93.

收稿日期：2022-04-11