基于FLAC3D的边坡稳定性及抗滑桩加固处理分析

摘要：滑坡作为常见的地质灾害之一，严重影响着人们的生命和财产安全，研究边坡的安全状态和加固方法至关重要。文章以某山区斜坡地带边坡为例，采用数值模拟方法，对该边坡在天然状态和暴雨工况下的边坡稳定性进行分析，并采用抗滑桩进行加固处理，分析了改变抗滑桩桩长和桩间距时桩顶水平、竖向位移和边坡安全系数的变化规律。结果表明：天然状态下边坡存在类似圆弧的潜在滑移面，边坡处于亚稳定状态;暴雨工况下最大位移值是天然状态时的3.3倍，边坡的安全系数为1.05，易发生滑坡，应进行相关加护设计;增加抗滑桩桩长可以有效地减小桩顶水平位移，而对桩顶竖向位移基本无影响，此时边坡安全系数随桩长的增加而增大，但改变幅度较小;随着抗滑桩桩间距的减小，桩顶水平和竖向位移不断减小，适当减小桩间距可以有效增大边坡安全系数。

关键词：天然边坡;稳定性;抗滑桩;位移

0 引言

滑坡作为常见的地质灾害之一，严重影响着人们的生命和财产安全，研究天然边坡的安全状态和加固方法至关重要。在我国西部一些山区，由于公路及铁路的建设，很多邻近道路的天然边坡需要进行安全评估及加固处理。再者，这些地区在夏季很容易出现暴雨等极端工况，使得边坡的安全状况堪忧。基于此，国内一些学者进行了相关研究，如吴平等人[1]结合某山斜坡治理工程，采用FLAC3D软件对该斜坡采用锚杆抗滑桩加固后的稳定性进行分析，结果表明边坡加固方案可行;陈乐求等人[2]采用计算机语言编制边坡在抗滑桩加固情况下的稳定性程序，并用FLAC3D的计算结果进行对比，通过抗滑桩支护参数对边坡稳定性的影响进行分析;徐翔、俞刚、楼金其等人[3-5]利用FLAC软件对抗滑桩加固滑坡进行数值模拟分析，并分析了滑坡支护前后的位移场、应力场和塑性区分布;黄云浩、王大伟等人[6-7]采用Plaxis有限元软件，利用局部强度折减法对某岩质边坡的抗滑桩加固处理进行数值模拟分析等。

本文主要以某山区斜坡地带边坡为例，采用数值模拟方法，对该边坡在天然状态和暴雨工况下的边坡稳定性进行分析，判断该边坡在天然状态和暴雨工况下的稳定性状态，采用抗滑桩进行加固处理，并分析改变抗滑桩桩长和桩间距时桩顶水平和竖向位移与边坡安全系数的变化规律，研究结果可为类似地区边坡加固处理提供参考和借鉴。

1 工程概况

某边坡位于山区斜坡地带，由于临近省道且该地区在夏季易出现暴雨等极端天气，严重威胁着人们生命与财产安全。通过现场勘探，该边坡整体长度约为160 m，宽度为300 m左右，基岩以上边坡高度约为60 m。地质报告显示，该处地层主要包括第四系全新统晚期冲洪积物、第四系全新统晚期早洪积物、第四系全新统滑坡堆积物、第四系上更新统风积物、第四系中更新统风积物、新近系泥岩以及三叠系上统砂岩永坪组。为了判断该处边坡的稳定性以及为滑坡处理提供参考，下文利用数值模拟手段进行分析。

2 数值建模

如图1所示，为利用大型有限差分软件FLAC3D建模得到的数值模型图。模型长度为200 m（x方向）、宽度取20 m（y方向）、高度为100 m（z方向）。模型单元格总数量为1.6万个，并将模型的水平方向以及模型底部进行位移锁定和控制边界。本文采用莫尔-库伦作为本构模型，取剪胀角为零。根据实际地质条件，将模型土体分为5个部分，分别为第四系中更新统风积物（Qeol2）、新近系泥岩（Ng）、第四系全新统晚期早洪积物（Qlal+pl4）、三叠系上统砂岩（T3W）以及第四系全新统滑坡堆积物（Qdel4）。具体物理力学指标如表1所示，包括天然状态和暴雨工况两种。

3 数值结果分析

3.1 天然状态和暴雨工况下的数值分析

3.1.1 天然状态下的数值分析

判断边坡潜在滑移面的方法有很多，其中最大剪应变增量云图是非常有用的一种。为了分析天然状态下的边坡稳定性，如图2所示，将该边坡的最大剪应变增量云图提取出来。由图2可知，在图中箭头所指位置，存在细条带，该条带的最大剪应变增量明显大于周围土体，尤其在坡顶的位置，最大剪应变增量更为明显。为了更加细致地描述，如图3所示，将边坡位移云图提取出来。由图3可知，存在一个类似圆弧带的位置，其上方土体位移明显大于其他位置，最大位移值达2.3 cm。根据强度折减法，边坡的安全系数为1.15。一般情况下，认为安全系数FS>1.2是稳定的，此时，可以认为该边坡在天然状态下处于亚稳定状态。

3.1.2 暴雨工况下的数值分析

如图4所示，为暴雨工况下的边坡位移云图。由图4可知，同样存在一个类似圆弧带的位置，其上方土体位移明显大于其他位置，最大位移值达7.6 cm，是天然状态时的3.3倍。此时，根据强度折减法得到边坡的安全系数为1.05。此时，边坡不稳定，很容易发生滑坡，应进行相关加护设计。

3.2 抗滑桩作用下的数值分析

本工程采用抗滑桩加固边坡，如图5所示，为加抗滑桩时数值数值模型图。抗滑桩的力学参数如表2所示，抗滑桩的位置点在模型节点（118，2，63.261）处。桩体采用桩单元结构模型。下文分别改变桩长L与桩间距d对该滑坡稳定性进行相关研究。

3.2.1 不同桩长L时数值结果分析

为了分析桩长的影响，将桩间距设置为10 m且保持不变。如图6所示，为改变桩长度L时的桩顶水平位移曲线。由图6可知，随着桩长的增大，桩顶水平位移在到达104时间步时基本处于稳定。文中取桩长分别为16 m、18 m、20 m、22 m和24 m，最终，桩顶水平位移对应分别为4.38 mm、3.34 mm、2.81 mm、2.17 mm和2.02 mm，隨着桩长的增加，桩顶水平位移不断减小，相对于16 m桩长，桩长为24 m时桩顶水平位移减小了49.5%。由此可知，增加桩长可以有效地减小桩顶水平位移。

如图7所示，为改变桩长度L时的桩顶竖向位移曲线。文中同样取桩长分别为16 m、18 m、20 m、22 m和24 m，最终，桩顶竖向位移对应分别为7.47 mm、7.35 mm、7.24 mm、7.42 mm和7.32 mm，随着桩长的增加，桩顶竖向位移基本没有发生变化。由此可知，增加桩长对桩顶竖向位移基本无影响。

为了更加直观地反映边坡安全系数随桩长的变化趋势（如图8所示），给出边坡安全系数随桩长的变化规律。如图所示，当桩长为16 m时，边坡安全系数为1.131，而当桩长为26 m时，边坡安全系数为1.180。边坡安全系数随桩长的增加而增大，但改变幅度并不大。

3.2.2 不同桩间距d时数值结果分析

为了探究桩间距d的影响，将桩长设置为20 m且保持不变。如图9所示，为改变桩间距d时的桩顶水平位移曲线。由图9可知，随着间距d的增大，桩顶水平位移在到达104时间步时基本处于稳定。文中取桩间距分别为4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，最终，桩顶水平位移对应分别为0.98 mm、1.16 mm、1.19 mm、1.22 mm和1.25 mm，随着桩间距的减小，桩顶水平位移不断减小，相对于桩间距8 m，桩间距为4 m时桩顶水平位移减小了21.6%。由此可知，增加桩间距可以减小桩顶水平位移。

如图10所示，为改变桩间距d时的桩顶竖向位移曲线。文中同样取桩间距分别为4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，最终，桩顶竖向位移对应分别为1.28 mm、1.51 mm、1.62 mm、1.67 mm和1.76 mm，随着桩间距的增加，桩顶竖向位移基本没有发生变化。随着桩间距的减小，桩顶竖向位移不断减小，相对于桩间距8 m，桩间距为4 m时桩顶竖向位移减小了27.3%。由此可知，增加桩间距可以减小桩顶竖向位移。

为了更加直观地反映边坡安全系数随桩间距的变化趋势，如图11所示，给出边坡安全系数随桩间距的变化规律。当桩间距为4 m时，边坡安全系数为1.250，而当桩间距为9 m时，边坡安全系数为1.146。边坡安全系数随桩间距的增加而减小。综上可知，适当地减小桩间距可以增大边坡安全系数。

4 结语

本文以某山区斜坡地带边坡为例，采用数值模拟方法对该边坡在天然状态和暴雨工况下的边坡稳定性进行分析，并采用抗滑桩进行加固处理，具体分析改变抗滑桩桩长和桩间距时桩顶位移和边坡安全系数的变化规律，结论如下：

（1）天然状态下边坡存在类似圆弧的潜在滑移面，最大位移值达2.3 cm，边坡的安全系数为1.15，此时该边坡处于亚稳定状态。暴雨工况下最大位移值达7.6 cm，是天然状态时的3.3倍，边坡的安全系数为1.05，此时边坡不稳定，易发生滑坡，应进行相关加护设计。

（2）随着抗滑桩桩长的增加，桩顶水平位移不断减小，相对于桩长16 m，桩长为24 m时桩顶位移减小了49.5%，增加桩长可以有效地减小桩顶水平位移，而增加桩长对桩顶竖向位移基本无影响。边坡安全系数随桩长的增加而增大，但改变幅度较小。

（3）随着抗滑桩桩间距的减小，桩顶水平和竖向位移不断减小，相对于桩间距8 m，桩间距为4 m时桩顶水平位移减小了21.6%、竖向位移减小了27.3%。随桩间距的减小，边坡安全系数逐渐增大，适当的减小桩间距可以增大边坡安全系数。

参考文献：

[1]吴 平，付宏渊.基于FLAC3D的斜坡治理稳定性数值分析[J].公路与汽运，2012（2）：133-135.

[2]陈乐求，杨恒山，林 杭.抗滑桩加固边坡稳定性及影响因素的有限元分析[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（2）：490-494.

[3]徐 翔，许 俊.基于FLAC3D的某滑坡抗滑桩加固效果分析[J].土工基础，2015（3）：88-91.

[4]俞 刚.基于FLAC3D的滑坡稳定性分析及抗滑桩支挡研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

[5]楼金其.抗滑桩加固岩质边坡稳定性的数值模拟分析[J].铁道建筑，2012（5）：120-122.

[6]黄云浩.基于Plaxis的某岩质边坡抗滑桩加固稳定性数值分析[J].陕西水利，2015（3）：151-153.

[7]王大伟，韦 楼.抗滑桩加固土质边坡穩定性的数值分析[J].低碳世界，2016（8）：186-187.

作者简介：罗资清（1982—），工程师，主要从事交通土建工程工作。