抗滑桩对滑坡稳定性影响机理数值模拟分析

王 忠

（成都中材建设工程公司，四川 成都 610052）



抗滑桩对滑坡稳定性影响机理数值模拟分析

王 忠

（成都中材建设工程公司，四川 成都 610052）

【摘 要】运用ABAQUS有限元软件建立抗滑桩—边坡模型，对抗滑桩稳定边坡的机理进行数值模拟，基于有限元计算方法，探讨抗滑桩作用时的坡体不同位置的位移、应力、坡顶安全系数的变化规律，结果表明：抗滑桩边坡在受力初期，边坡沿着桩体前后分别发生微小位移，此时桩体从上到下均参与抵抗土体位移；在受力中期，位移沿着桩体从基底向上发展，此时只有桩体上半段参与抵抗土体位移；当边坡发生失稳破坏，此时只有桩体上部的1/3段抵抗土体产生的位移变形，且边坡的圆弧滑动面已经被抗滑桩切断；无抗滑桩时，随着边坡受力时间的延长，边坡由原来的无滑动趋势到最后失稳破坏时出现了连续贯通的圆弧形滑动面；边坡加固前的安全系数为2.28，抗滑桩加固后的安全系数为2.49，抗滑桩能够显著提高边坡的稳定性。

【关键词】抗滑桩；滑坡；稳定性；安全系数

目前，国内外针对滑坡灾害防治技术措施［1-3］大致包括坡面防护、压坡脚、坡顶卸载、抗滑桩、锚杆、预应力锚索以及不同方法的综合加固措施等，尤其在大型滑坡灾害防治工程中往往同时采用一种或多种防治措施，其中抗滑桩加固边坡土体是一种较为常用的加固技术。随着对滑坡防治工程的不断实践和工程经验的积累，工程技术人员已经意识到对不稳定或欠稳定滑坡采用抗滑桩等预加固措施是非常有效的。

本文以北川县中联水泥有限公司南侧及左侧边坡加固工程为例，运用ABAQUS有限元软件建立模型，对抗滑桩稳定边坡的机理进行数值模拟，基于目前有限元计算方法，探讨抗滑桩作用时的坡体不同位置的位移、应力、边坡安全系数的变化规律， 为抗滑桩稳定边坡土体提供可靠的理论依据和设计方案。

1 工程概况

1.1 工程现状

北川中联水泥有限公司预均化堆场南侧滑坡位于绵阳市北川县擂鼓镇，由于在预均化堆场南侧边坡前缘开挖，形成了高陡临空面，破坏了斜坡的天然应力平衡状态，导致斜坡产生蠕动变形。调查发现斜坡后缘山体出现裂缝，斜坡后缘、侧缘均出现了拉张裂缝，而且连续贯通。根据勘查期间应急变形监测结果可知，目前斜坡正处于蠕动变形阶段，在暴雨、地震、斜坡前缘切坡等诱发因素作用下极有可能发生滑动变形，形成滑坡地质灾害，危及斜坡下方预均化堆场及正在进行边坡施工的人员等生命财产安全。

1.2 区域地质构造

根据区域地质资料，距场地北侧约1.0km处为北川大断裂，北川大断裂（属龙门山断裂带）为一条活动的发震冲断层，断层倾向北西，倾角60～70°，为寒武系的砂岩逆冲于志留系、泥盆系乃至石炭系之上，切割深度较大，垂直断距千米以上，沿断层分布着串珠状的上升泉。场地西侧为擂鼓平错断裂（亦属龙门山断裂带），距离场地1.0km，亦为发震断层。拟建场地位于北川大断裂和擂鼓平错断裂之间，均属于龙门山断裂带，且为发震断层——龙门山地震带。因此，场区地质构造不稳定。

1.3 勘查区工程地质条件

场地由南向北地势逐渐降低，滑坡体及影响范围内地面最高高程约860m，最低高程约760m，相对高差达100m，坡向N8°E，地形坡度10～25°。

地貌单元属岩溶溶蚀山间坡地，微地貌坡积为主。暴雨期间地表水汇集，沿滑坡体东侧水沟排泄，对滑坡体进行冲蚀作用。地表灌木覆盖，自然边坡处于稳定状态，滑坡体全貌见图1。

图1　滑坡体全貌

本工程根据以上滑坡特点，采用抗滑桩对其进行治理，采用了具有适用于无地下水或少量地下水，山区可—硬塑粘性土、块石土、基岩等挖孔时不易塌方地层，设备简单、工期短、不污染环境等优点的人工挖孔桩的形式。本次勘察采取粘性土体6件进行抗压、抗剪试验，其物理力学试验指标如下表。

土体与桩体物理力学参数

2 计算方法及有限元模型建立

在岩土工程中，过去分析边坡稳定性主要采用条分法和极限平衡法，但由于其计算方法中存在大量假设，存在较多缺陷，进而限制了其应用。随着计算机的发展，将有限单元法运用到边坡稳定分析，提高了计算结果的精度，并克服了传统方法的缺点。有限单元法［4-7］进行岩土力学的极限分析包括两种方法。

2.1 有限元强度折减法

岩土工程中的破坏主要是剪切和拉裂，一般宜采用带最大拉应力的莫尔—库伦强度准则，即：

式中：c ——粘聚力；

f ——摩擦系数；

R1——抗拉强度；

f =tanφ，φ为内摩擦角。

计算时，先将材料强度降低k 倍，即取强度准则为：

不断增大k 值，直到边坡达到极限平衡状态，破坏时的k 值即为安全系数或强度折减系数。一般情况下，边坡土体的摩擦系数f 比较稳定，而粘聚力c 会随着土体受荷和外界条件的变化而变化，因而需要对强度折减法进行修正，即

式中：kc=1+w；

kf=1+s1w；

kt=1+s2w；

w为超载系数，其由0开始逐步增加；

s1和s2是异于1的两个系数。

2.2 有限元增量加载法

有限元增量加载法，即超载法，在计算中逐步增加边坡顶部荷载，岩土体由初始的弹性状态逐步过渡到塑形状态，直至最后达到极限破坏状态，对应的荷载即为极限荷载，极限荷载与设计荷载的比值即为超载系数。粘聚力c 有量纲，而摩擦系数f 无量纲，进而表明强度折减系数与超载系数的数值不同。

采用强度折减法计算时，当k 值变化一定数值时边坡达到极限平衡状态，此时的极限条件为：

采用超载法计算时，剪应力τ和正应力σ都随荷载的增加而增大，当荷载为w时，达到极限平衡状态，此时的应力条件为：

比较式（7）与式（8）、式（9）可知，在强度折减法中，摩阻力和粘聚力是同步降低；而在超载法计算中，摩阻力fσ并未改变，只有粘聚力降低。因而对于相同的材料和结构形式，强度折减系数k 低于超载系数w。本文采用强度折减法进行数值模拟分析。

2.3 抗滑桩—边坡模型概况

抗滑桩边坡模型如图2所示，边坡坡顶到基底高度为20m，边坡坡脚到基底高度为10m，边坡坡高为10m，边坡坡度为1∶1.5，抗滑桩距坡顶的距离为4.5m，距破脚的距离为10.5m，桩长为15m，桩径为1.0m，桩间距为4D=4.0m，桩端距离土体底部的距离为2.0m。

图2　抗滑桩边坡模型平面图

2.4 有限元模型建立

通过ABAQUS有限元软件对抗滑桩边坡进行建模，由于抗滑桩的存在，并考虑节省计算机资源，利用结构的对称性，对图2中的阴影部分进行建模。分析过程中，土体采用理想弹塑形Mohr-Coulomb模型，桩体采用弹性材料，桩土材料参数见上表。建模过程中，保证桩端与桩端土体、桩身与桩身土体相接触，并提供大小为0.02的摩擦系数。限定模型左右两面上的X 方向水平位移，限定前后两面上Y 方向水平位移和基底三个方向的位移，在桩的对称面上也要约束住Y方向的位移。所建立的有限元模型如图3所示。

图3　抗滑桩边坡有限元模型立面图

3 抗滑桩提高边坡稳定机理

3.1 抗滑桩边坡的受力机理分析

抗滑桩失稳初期、中期及边坡失稳时位移增量云图见图4～图6。

图4　抗滑桩受力初期位移增量云图

图5　抗滑桩受力中期位移增量云图

图6　边坡失稳时抗滑桩位移增量云图

如图4所示，抗滑桩边坡在受力初期，边坡沿着桩体前后分别发生微小位移，此时桩体从上到下均参与抵抗土体变形；如图5所示，抗滑桩边坡在受力中期，位移沿着桩体从基底向上发展，此时只有桩体上半段参与抵抗土体位移；如图6所示，当有限元模型计算不收敛时，边坡发生失稳破坏，此时只有桩体上部的1/3段抵抗土体产生的位移变形，边坡失稳破坏时，边坡的圆弧滑动面已经被抗滑桩切断，进而分成了两个圆弧。根据有限元结果分析得到，此时桩前土体和桩之间出现脱开，并产生了桩后土体绕桩体滑动的绕流失稳现象［11-12］。

3.2 无抗滑桩边坡的受力机理分析

无抗滑桩边坡受力初期、中期及失稳时位移增量云图见图7～图9。分析图7～图9可得，随着边坡受力时间的延长，边坡由原来的无滑动趋势到最后失稳破坏时出现了连续贯通的圆弧形滑动面。对比图6、图9可知，抗滑桩切断了连续的圆弧滑动面，进而提高了边坡的稳定性和承载能力。

3.3 有无抗滑桩边坡的安全系数分析

将坡顶水平位移与安全系数的场变量FV1变化关系曲线绘于图10，以位移拐点为评价标准，由曲线可以得到，边坡加固前的安全系数为2.28，加固后的安全系数为2.49，表明抗滑桩加固边坡土体的效果显著［13-14］。

图7　无抗滑桩边坡受力初期位移增量云图

图8　无抗滑桩边坡受力中期位移增量云图

图9　无抗滑桩边坡受力失稳时位移增量云图

4 结论

针对抗滑桩加固边坡土体的机理展开研究，主要结论如下：

（1）抗滑桩边坡在受力初期，边坡沿着桩体前后分别发生微小位移变形，此时桩体从上到下均参与抵抗土体位移；在受力中期，位移沿着桩体从基底向上发展，此时只有桩体上半段参与抵抗土体位移。

（2）当边坡发生失稳破坏，此时只有桩体上部的1/3段抵抗土体产生的位移变形，且边坡的圆弧滑动面已经被抗滑桩切断，此时桩前土体和桩之间出现脱开，并产生了桩后土体绕桩体滑动的绕流失稳现象。

（3）无抗滑桩时，随着边坡受力时间的延长，边坡由原来的无滑动趋势到最后失稳破坏时出现了连续贯通的圆弧形滑动面；边坡加固前的安全系数为2.28，抗滑桩加固后的安全系数为2.49，抗滑桩能够显著提高边坡的稳定性。

图10　水平位移U1与安全系数FV1关系曲线

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Numerical Simulation Research on Anti-slide Pile Influence on the Landslide Stability

WANG Zhong
（Sinoma Construction Engineering Company of Chengdu， Chengdu 610052， China）

Abstract:Using ABAQUS finite element software to model， a numerical simulation of the mechanism about the stability of the slope based on the finite element method， discuss the slope anti-slide pile with different location of the displacement， stress and change law of slope safety factor， the results show that the slope anti-slide pile in the early part of the stress， displacement along the pile respectively before and after the whole small slope， the pile from top to bottom all participate in the resistance of soil displacement；In the middle of the stress， displacement along the pile up from the basement development， at this time only pile first half to participate in the resistance of soil displacement； When the slope instability failure， at this time only pile deformation displacement of the upper 1/3 resistance， circular arc sliding surface and the slope has been anti-slide pile cut off； Without anti-slide pile， with the extension of slope stress time， the slope from non-slip trend appeared when the damage to the last row of circular slip surface.The safety factor of slope reinforcement before 2.28， anti-slide pile strengthening the safety coefficient is 2.49， after the pile can significantly improve the stability of the slope.

Key words:anti-slide pile； landslide； stability； safety factor

【中图分类号】TU42

【文献标识码】A

【文章编号】1007-9386（2016）02-0057-04

【收稿日期】2016-01-13