基于FEM抗滑桩对土质和岩质边坡稳定性影响分析

2019-06-28阿布都赛米阿布都热西提

水科学与工程技术 2019年3期

阿布都赛米·阿布都热西提

（喀什地区水利水电勘测设计院，新疆喀什844000）

1 前言

近些年来世界各地滑坡灾害的发生频率越来越大，给全球各地人民的生命财产安全构成了极大的破坏和威胁。特别是我国在经受了2008年汶川8.0级特大地震灾害后，大量山体的完整性遭到破坏，今后在遇到二次地震或者强降雨的影响时，极易发生大规模的滑坡灾害或者岩石崩塌等次生灾害。近期我国国内发生的大规模滑坡灾害十分普遍，如2018年11月份发生的金沙江白格滑坡，直接导致金沙江堵塞断流形成堰塞湖，威胁到下游安全；2017年6月发生在四川省阿坝州茂县叠溪镇新磨村的高位滑坡，造成了大量人员伤亡和房屋倒塌。这些发生在周边的滑坡灾害说明目前工程界对边坡的治理问题还没有引起足够的重视，从而付出了沉重的代价。根据相关文献［1-3］，可将常见的滑坡分为土质滑坡和岩质滑坡，两者的滑动机制及启动原理各不相同，因此，有必要针对各类不同滑坡灾害的治理提出不同的工程措施，从而保证治理方案的经济性、可行性和合理性。

常见滑坡的治理经常采用抗滑桩，其通过滑坡体插入到滑床的内部，从而支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用，抗滑桩主要适用于浅层和中厚层的滑坡，是抗滑处理的主要措施，且施工难度相对简单。

综合已有的关于抗滑桩的相关研究成果［4-6］，发现大部分研究均未考虑边坡不同岩体条件下桩位的影响，而由于边坡岩体错综复杂，不同岩体边坡的抗滑桩最优加固位置也应有所不同。因此，本文基于有限元强度折减法，分别对土质边坡和含有软弱夹层的岩质边坡进行抗滑桩加固数值模拟分析，比较分析不同岩体性质条件下不同加固位置边坡的滑裂面，通过安全系数确定抗滑桩的最优加固位置，并分析抗滑桩剪力和弯矩分布情况，从而达到对抗滑桩参数优化设计的目的。

2 有限元强度折减法

常见的边坡稳定性分析主要包括极限平衡法和有限元法（finite element method，以下简称FEM），极限平衡法由于需假定滑裂面，在边坡分析中存在各种假设条件，存在许多因素的不确定性，导致计算结果的准确性难以保证。因此，目前更多的专家学者采用有限元强度折减法，其不需要假设滑裂面，由程序自动搜索计算。此法通过不断降低土体的抗剪强度参数，不断迭代重复进行有限元分析计算，直到有限元计算不收敛或塑性区贯通滑裂面为止，根据有限元计算结果可得到边坡最危险滑动面的分布情况，最终将此时的折减系数定义为边坡稳定安全系数［7，9］。折减计算如式（1）、式（2）：

式中 c和φ分别为滑坡体真实的黏聚力和内摩擦角；F为折减系数；c′和φ′分别为滑坡体经过折减后的黏聚力和内摩擦角。

3 计算模型及参数选取

为分析不同岩土体条件下不同抗滑桩位置对边坡稳定性的影响，分别建立二维有限元土质边坡模型和含有软弱夹层的岩质边坡模型。为避免尺寸效应对计算结果的影响，本次计算的两个边坡模型的尺寸均相同，计算模型长100m，宽60m，边坡坡高45m，边坡坡角34°。其中土质边坡模型为均质土坡，土体材料为粉质黏土，岩质边坡模型如图2，为Ⅲ类岩体，计算岩体力学参数如表1。

图1 土质边坡模型

图2 岩质边坡模型

表1 边坡岩体力学参数

本次数值计算中抗滑桩采用弹性桩单元进行模拟计算，长度根据计算要求设置18m，抗弯刚度8500kN·m2/m，桩径统一0.6m，泊松比0.19，此外，滑坡体与抗滑桩桩体之间接触单元的摩擦系数取0.42。

4 土质边坡和岩质边坡最佳设桩位置

4.1 土质边坡

为分析土坡模型中抗滑桩不同加固位置对边坡稳定性的影响，图3显示了不同桩位的边坡危险滑动面。

图3 不同桩位加固土质边坡危险滑裂面

图3（a）为土坡在自然状态下的危险滑动面，边坡稳定计算安全系数仅为1.01，稳定性很差，需要及时采取加固措施。图3（b）、图3 （c）、图3 （d）分别显示了高、中、低抗滑桩加固边坡的危险滑动面。各滑裂面均通过抗滑桩底部，此时，抗滑桩整体保持完好。图3（b）、图3 （c）、图3 （d）位置抗滑桩加固土坡的安全系数分别为1.04，1.06，1.19，说明高、中桩加固效果差，低抗滑桩加固效果最好，稳定安全系数提高了20%。其原因是低位抗滑桩的有效桩长较长，桩身插在原边坡危险滑动面以下一定深度。抗滑桩能有效平衡边坡在自然状态下的滑动力。桩身抗滑力发挥了充分的作用，有效地提高了边坡的整体稳定性。

表2给出了不同加固位置抗滑桩的最大剪切力和弯矩。

表2 不同桩位最大剪力和最大弯矩

表2表明，高位桩的最大剪切力和弯曲力矩最小，其次是中位桩，而低位桩的最大剪切力和弯曲力矩分别为679kN和1142kN·m。结果表明，低位桩加固效果最好，相关的计算结果与上述边坡稳定安全系数分析结果一致。

4.2 岩质边坡

为了进一步分析桩位对岩质边坡稳定性的影响，软弱夹层岩质边坡模型的破坏情况如图4。

图4 不同桩位加固岩质边坡破坏情况

天然状态下岩质边坡的危险滑动面如图4（a），可见岩质边坡破坏时沿软弱夹层破坏，边坡稳定安全系数为1.11。图4（b）、图4 （c）、图4 （d）反映了不同桩位抗滑桩加固岩质边坡的破坏情况。由此可见，与土质边坡分析结果不同，抗滑桩加固的岩质边坡滑动面仍沿软弱夹层分布。此时，抗滑桩承受着巨大的滑坡推力，直至最终被剪出。

中位抗滑桩具有最佳的加固效果。加固后边坡稳定安全系数为2.97，稳定安全系数提高165%。其原因是滑坡体分为上下两部分，中间抗滑桩加固后上部和下部较为均匀。抗滑桩受力较均匀，有利于边坡稳定。当采用高桩加固滑坡时，如图4（b），抗滑桩下部有较大的下拉力，由于滑坡下部有大量土石方，且滑坡下部有大量的抗滑桩，抗滑桩上部不宜采用高桩加固，有局部滑坡的可能。分析表明，采用中桩加固时，岩质边坡的稳定性最好。因此，在这种岩质边坡的加固施工中，建议尽量采用中间桩。

图5和图6分别为岩质边坡模型中抗滑桩不同加固位置桩的剪切图和力矩图。

图5 抗滑桩剪力分布

图6 抗滑桩弯矩分布

分析表明，高位桩有效承载长度仅占桩长的50%左右，而低位桩剪切如图5（c）表明存在突变，最大剪切力为-4175kN，桩的受力分布不均匀。进一步分析可知，中位桩的有效长度最长，中位桩的有效长度约为桩身的中下部，约占桩身总长的67%，桩身上部只承受很小的剪切和弯曲模量，说明此抗滑桩未得到充分利用。因此，在抗滑桩施工过程中，建议将桩身埋于一定的岩土深度范围内，既能保证边坡的稳定，又能缩短33%桩的长度。