基于滑带应力水平分布的抗滑桩优化加固位置研究*

李新哲 李 涛 潘 登 刘慧敏 李建林 邓华锋

(三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)， 宜昌 443002， 中国)

0 引 言

滑坡是一种多发性的地质灾害，我国是一个多山的国家，也是世界上滑坡灾害最严重的国家之一(周家文等， 2019； 胡瑞林等， 2020； 刘传正等， 2020)。抗滑桩布置灵活、施工方便、抗滑效果好，是各类滑坡治理中常用的加固措施。在采用抗滑桩加固中，合适的加固位置不仅可充分发挥抗滑桩的效能，还能减少工程量，有效降低工程成本，因此，其布置位置的选择是方案设计中非常关键的一个问题(杨光华等， 2011)。为此，较多工程技术人员和研究人员采用理论、试验和数值模拟等多种方法对抗滑桩的优化加固位置进行了研究，并取得了丰富的研究成果。

一方面，较多学者针对不同类型的滑坡，在不同的位置布置抗滑桩，通过加固效果的对比分析去研究优化的加固位置，典型的如：年廷凯等(2012)研究发现抗滑桩的最优加固位置位于边坡中下部； Ito et al. (1981)、Hassiotis et al. (1997)研究发现抗滑桩加固于中上部时更有利于边坡的整体稳定； 王聪聪等(2015)探讨了桩长、设桩位置、桩体弹性模量等因素对边坡安全系数等均有影响，研究表明抗滑桩的最优加固位置受桩长影响较大，最优加固位置位于边坡的中部或中上部； 李家平等(2005)通过极限平衡法对抗滑桩最优的加固位置进行研究，发现滑桩加固于边坡滑弧的最低点时加固效果最优； 戴自航等(2000)通过传递系数法对抗滑桩最优加固位置进行分析，结果表明抗滑桩的最优加固位置位于坡脚，更利于坡体稳定； 谭捍华等(2011)采用能量方法研究发现抗滑桩设置于边坡中下部，加固效果最好； Gong et al.(2018)研究发现抗滑桩的最佳加固位置靠近边坡坡脚； Fang et al. (2018)采用有限元强度折减法对多滑带边坡进行了研究，研究结果表明抗滑桩应布置在各滑带的中下部； Pan et al.(2017)对土坡的最优加固位置进行了研究，研究表明当边坡坡脚距离抗滑桩的距离与边坡的水平长度之比为0.6时，此时的加固效果最优。

滑坡处于不稳定状态最直观的现象就是坡表变形，由于变形数据容易监测，因此部分学者将边坡变形与边坡的稳定状态联系起来(董文文等， 2016； 赵建军等， 2019)，以便根据边坡的变形对边坡的安全状态进行评价和预警； 结合滑坡的变形特征，杨光华等(2012)提出了基于边坡变形场确定抗滑桩最优加固位置的方法，发现抗滑桩设置在边坡位移较大的地方加固效果好。另外，在采用极限平衡方法进行工程边坡稳定分析和支护设计分析中，通常根据滑坡体的剩余下滑力分布特征来确定抗滑桩优化加固位置。

这些研究成果为抗滑桩加固设计提供了较好的参考，但在实际滑坡工程加固设计中依然存在较大困难，例如，根据滑坡的破坏类型、变形分布特征等确定抗滑桩优化加固位置(上部、中部、下部等)还没有明确的判断依据。例如，在根据坡体变形确定抗滑桩加固位置时，仅仅根据坡表位移无法对滑坡内部最易破坏的位置进行准确判断，而且所确定的优化加固区域也只是一个范围相对较大的区域，需要进行大量的枚举试算方可进一步确定相对准确的位置，计算过程比较繁杂； 采用刚体极限法计算得到剩余下滑力虽然可以定量地确定优化的抗滑桩加固位置，但由于计算方法本身没有考虑滑坡体本身变形等因素的影响，所确定的加固位置往往与实际存在一定的差距。

综合目前研究成果可以发现，不同类型的滑坡，具有不同的变形破坏特征，发生变形破坏的关键位置也不一样。采用抗滑桩进行加固时，其最优加固区域也不一样，典型的如：对于诱发滑动区域在后缘的滑坡，抗滑桩的最优加固位置一般在滑坡中上部，而诱发滑动区域在前缘的滑坡，最优加固位置一般在滑坡的中下部(杨光华等， 2012)。在滑坡出现变形到最终失稳破坏的整个过程中，滑带所处的应力状态是非常关键的，伴随着滑动面的孕育与逐步贯通(许强， 2020)，而且，滑带各位置也不可能在同一时间产生破坏，是一个典型的渐进破坏过程，这里涉及一个最易破坏区域，也就是影响或者控制整个滑坡稳定的关键区域，如果能准确确定并在该区域进行加固，将达到良好的加固效果。为此，本文拟在以往研究基础上，综合考虑滑带的应力场分布特征及滑带土本身的强度特性，引入应力水平的分析思路，结合滑带各位置的应力水平分布规律确定影响滑坡稳定的最危险区域，也即优化的抗滑桩加固位置。

1 基于滑带应力水平的抗滑桩位置优化分析思路

应力水平是Duncan-Chang在研究土体的应力-应变非线性时提出的(Duncan et al.，1970)，指的是基于Mohr-Coulomb强度准则下某点的主应力差与该点极限强度的比值(Duncan et al.，1970)，也即：

(1)

式中： (σ1-σ3)f为基于Mohr-Coulmb强度准则的极限强度，其表达式：

(2)

式中：c为黏聚力；φ为内摩擦角；σ1、σ3为某点的最大主应力、最小主应力。

联合式(1)和式(2)可知，应力水平与该点的应力状态和岩土体的强度参数直接相关，因此，只要分析得到滑坡的应力场分布，便可求得各位置(包括滑带)的应力水平分布情况，由此可以判断哪些区域滑带土处于屈服状态，进而可以判断滑坡的失稳破坏区域及破坏类型，并确定最优加固位置，进而取得较好的加固效果。

前述分析表明，不同破坏类型的滑坡，其最优抗滑桩加固位置是不一样的。为了将抗滑桩最优加固位置与滑坡应力水平分布定量联系起来，本文以典型滑坡为例，重点分析滑坡(特别是滑带)应力水平和变形的分布特征，在滑带不同应力水平位置布置抗滑桩，通过有限元强度折减法求解安全系数(连镇营等， 2001； 栾茂田等， 2003； 张鲁渝等， 2003； 韦立德等， 2005)，以加固后滑坡的安全系数变化情况来衡量加固效果，进而分析确定最优的抗滑桩加固位置。

2 滑坡抗滑桩最优加固位置分析验证

为了进一步说明上述方法，这里以孔雀河中游河段的HP滑坡体为分析对象，对其计算分析过程进行说明。该滑坡的典型地质剖面图如图1所示。滑坡前缘高程为3946～3965m，后缘高程约为4050m，纵向长度约80m，横向最宽处达100m，自然坡度32°～41°，为顺向坡。滑坡体主要由堆积为主的块石、碎石、砾石和砂土组成，块石、碎石、砾石含量约78.30%，砂土含量约21.70%，钻孔资料显示土层结构较密实，材料相对均匀。滑坡总方量约30×104m3，堆积体下伏地层为奥陶系沟陇日组泥质板岩(O2g)，弱风化，岩层走向与滑坡体滑动方向相当，板岩上部(20～30m)岩体较破碎，其下较完整，基岩表面存在不规则擦痕，分析破碎岩体与上部滑坡体活动破坏有关，堆积体下伏基岩面为滑坡体的底滑面，埋深18～28m，无次级滑动面。现场地质调查发现该滑坡在天然状态下整体处于临界稳定状态。

图1 典型地质剖面

2.1 计算分析模型及参数

采用FLAC3D进行数值模拟计算，考虑到数值分析模型边界范围对计算结果的影响(李宁等， 2018)，将模型的边界范围进行适当的扩展，如图2所示，模型分成滑带、滑体和滑床3层，对模型侧面施加法向约束，底面施加固定约束。模型网格共有78729个单元，有84736个节点，参考以往的研究经验，抗滑桩采用实体单元进行模拟。计算过程中，滑坡岩土体采用莫尔-库仑强度准则。据地质勘察资料，天然状态下滑坡岩土体和抗滑桩的物理力学参数的取值如表1所示。

图2 滑坡计算模型图

表1 岩土体及抗滑桩力学参数

2.2 滑坡应力场、位移场分布特征及优化加固位置分析

计算得到加固前滑坡的应力水平分布图、水平方向位移图和塑性区分布图如图3～图6所示。

图3 滑坡应力水平分布图

图4 滑带应力水平分布图

图5 滑坡水平方向位移图

图6 滑坡塑性区分布图

综合图3～图6可以看出，滑坡中下部区域的应力水平较高，总体在0.80以上，而且，滑带中下部的高应力水平分布区域逐渐向滑坡后缘拓展有贯通趋势。比较而言，滑坡中下部的高应力水平分布区域，与位移图显示的滑坡前缘变形较大的区域、塑性区分布区域均是一致的，这也进一步明确了该滑坡的变形破坏类型。

采用强度折减法求得该滑坡安全系数为1.07，处于临界失稳状态，需要进行加固。按照以往工程经验(Cai et al.，2000； Ausilio et al.，2001； 年廷凯， 2006)，对于诱发滑动区域在前缘的滑坡，抗滑桩应该布置在坡体的中下部，但为了达到最佳的加固效果，需要进一步定量地确定其具体的布置位置。一种思路，在坡体变形最大的区域进行加固，从图4来看，滑坡中下部的变形较大，最大变形发生在x=402.00～408.00m的坡脚前缘表面； 另一种思路，也即本文的思路，在滑带应力水平高的区域布置抗滑桩进行加固，从图4可以看出，滑带中下部的应力水平较高，其中x=388.27～393.27m区域的应力水平在0.95以上。综合考虑这两种思路，特在滑坡体x=315.77～403.27m区域设置抗滑桩进行加固，从左至右，共选取了12个布置位置(亦为坡面位移、滑带应力水平观测点对应的x方向坐标)进行加固效果对比分析，具体如表2和图7所示。为了便于比较，不同位置抗滑桩嵌固段长度按桩长的1/3考虑(中华人民共和国行业标准编写组， 2006)，抗滑桩的力学参数按照表1取值。

表2 抗滑桩布置位置

图7 抗滑桩桩位布置图

2.3 不同位置抗滑桩加固效果分析

对表2所述的12个抗滑桩布置位置，采用强度折减法计算得到加固后滑坡的安全系数。为了更好地显示加固前坡表位移、滑带应力水平与最优加固位置的相互关系，特将加固前坡面观测点水平位移与不同桩位加固后滑坡的安全系数绘制如图8所示，加固前滑带观测点应力水平与不同桩位加固后滑坡的安全系数绘制如图9所示，同时，最优加固桩位J处(x=393.27m，应力水平最高的位置)加固后滑坡的应力水平分布、塑性区分布分别如图10～图11所示。

图8 加固前坡面观测点水平位移与加固后滑坡安全系数

图9 加固前滑带观测点应力水平与加固后滑坡安全系数

图10 抗滑桩加固后的滑坡应力水平分布(x=393.27m)

图11 抗滑桩加固后滑坡的塑性区分布图(x=393.27m)

综合图8～图11可以看出：

(1)加固后滑坡的安全系数与抗滑桩的布置位置关系密切，虽然抗滑桩均布置在滑坡体的中下部，但不同位置的加固效果差异明显。其中：在x=310.00～360.00m区域，加固前滑带的应力水平较低，抗滑桩加固后滑坡的安全系数提高不明显； 在x=360.00～388.27m区域，加固前滑带的应力水平快速增大，抗滑桩加固后滑坡的安全系数提高比较明显，加固效果较好；x=388.27～393.27m区域，加固前为滑带的高应力水平区域，抗滑桩加固后滑坡的安全系数明显提高，达到1.27以上，加固效果最好； 在x=393.27～403.27m区域，为加固前坡面变形最大的区域，对应的应力水平也较高，但加固效果不是最好的，而且桩后土体存在越顶滑出的风险。

(2)对比分析发现，虽然在坡体表面位移大的地方进行加固，也可以取得较好的加固效果，但是图8显示的加固前位移最大区域和加固效果最好的位置并不完全对应，因此，基于滑坡位移场的分布还不能准确地确定抗滑桩最优加固位置。值得注意的是，不同位置加固后滑坡的安全系数与加固前应力水平分布曲线呈明显一致的变化规律，在高应力水平区域进行抗滑桩加固后，可以有效降低滑带区域的应力水平，塑性区明显减小且不再贯通，保证了滑坡中下部的稳定性，从而提高了滑坡的整体稳定性，这也很好地说明了根据滑坡滑带的高应力水平区域确定其最优加固位置是合理的。

(3)以往的研究中通常根据滑带塑性区的贯通程度去判定滑坡的稳定程度，也提出了在塑性区集中分布区域进行加固的思路，但是从图6显示的加固前塑性区分布范围来看，滑带中下部塑性区分布范围较大且有贯通趋势，据此也很难准确地确定优化加固位置。

(4)这里也采用刚体极限平衡法计算了该滑坡的剩余下滑力分布规律，具体如图12所示，最大剩余下滑力位置对应坐标为x=355.77m，在该位置布置抗滑桩加固后，计算得到滑坡安全系数为1.23，与前述方法确定的位置和达到的加固效果差别明显，分析其原因是刚体极限平衡法无法考虑滑坡体自身的变形及其对滑坡稳定性的影响。

图12 滑坡剩余下滑力曲线

3 结论与讨论

(1)根据滑坡滑带的应力水平分布规律及滑坡的变形破坏特征，提出了基于滑带应力水平确定抗滑桩最优加固位置的思路， 12个位置抗滑桩的加固效果对比分析表明，抗滑桩布置于滑带应力水平高的区域时，可以有效降低滑带区域的应力水平，改善滑带的塑性区分布，提高滑坡的整体稳定性，说明本文的方法是合理有效的。

(2)通过典型滑坡加固前后的应力水平、位移场和塑性区的分布图对比分析发现：滑带的高应力水平区域与滑坡显著变形区域、塑性区分布具有较好的一致性，但是，与基于变形场分布和塑性区分布确定抗滑桩优化加固位置的方法相比，本文基于滑带的应力水平分布特征的分析方法，可以更准确、定量地确定滑坡的优化加固位置，从而可以更好地发挥抗滑桩加固效果。

(3)论文以单根抗滑桩为例进行了优化位置计算分析并得到了较好效果，在滑坡抗滑桩空间纵横布置位置、间距优化分析中如何应用，将在后续研究中进一步完善。