抗滑桩加固边坡效应数值模拟分析

丘 浩

(广东水电二局股份有限公司，广州 511340)

1 概 述

滑坡是全球性范围内广泛发育的一种地质灾害，由于其规模大、分布广泛和危害性大，因此容易造成较大的社会影响。滑坡治理方法种类较多，如抗滑桩、截排水措施、削方减载、锚索以及格构等。其中，抗滑桩方案因其布置灵活和治理效果好，被广泛应用于各类滑坡的治理工程中。

由于抗滑桩应用范围广泛，许多学者为此开展了大量的研究，以提高抗滑桩的治理效果。平诗语等[1]基于数值模拟，研究了不同演化模式滑坡抗滑桩加固桩位与嵌固深度对滑坡治理效果的影响，结果表明不同的滑坡运动模式对应抗滑桩最优布设位置有所不同，另外抗滑桩嵌固存在有效嵌固深度，有效嵌固深度比与岩土体的物理力学性质有关。林久平等[2]依托实际工程，采用理论方法，根据桩的截面形式和受力特点推导得到了圆形截面抗滑桩的配筋计算方法。黄良誉[3]等根据模型试验，提出一种埋入式抗滑桩锚拉竖向植筋带加固边坡的技术，结果表明该技术对于边坡的加固效果良好，应用于实际工程中坡面变形可减小30%。任海民、冯伟剑[4]采用理论推导方法，提出了一种复合单元抗滑桩模型，该模型可有效模拟抗滑桩的力学性能，进一步采用有限元模拟证明桩布置在边坡中部时，抗滑桩易发生弯曲破坏的结果。刁海珠[5]基于FLAC3D数值模拟，研究了抗滑桩加固参数对边坡稳定性影响，结果表明在一定范围内，边坡稳定性会随着桩长的增加而提高。曾锦秀[6]基于极限平衡法推导了边坡双排抗滑桩变形计算方法，结果表明适当增大连系梁厚度、嵌固段长度、桩径和桩身弹性模量，或可改善桩周岩土体的力学性能，对于坡体的稳定性是有利的。易庆林等[7]基于强度折减法，研究了降雨和库水作用对三峡库区三门洞滑坡抗滑桩加固的影响，结果表明采用30 m的矩形柱可达到良好的治理效果。白凯文、解惠[8]采用数值模拟研究了滑坡位移特征的抗滑桩桩位优化特性，结果表明通过采用数值模拟，优化抗滑桩至滑坡变形最大时，可获得最优加固桩位，取得最优治理效果。李兵等[9]基于汶马高速公路抗滑桩治理工程，推导了圆截面h型抗滑桩受力与变形，结果表明圆截面抗滑桩在复杂地质水文条件下适用性更强，并且具有造价更低和施工工期更短的优势。黄达等[10]基于土拱效应，研究了悬臂式抗滑桩加固作用机制，分析土拱的三维形态特征，得到不同桩间距的轴线方程。仉文岗等[11]基于可靠度分析原理，研究了抗滑桩随机响应，结果表明岩体参数的空间变异性对抗滑桩的响应有显著影响，岩土体空间变异性可能造成防护措施的失效，同时低估桩顶位移。

综上所述，本文基于数值模拟，研究抗滑短加固边坡效果，研究成果可为类似工程提供参考。

2 计算模型与参数

2.1 数值模型

本文采用MIDAS软件进行求解分析，选取典型计算剖面，见图1。边坡总高度为10 m，其中坡体上部为破残积土，下部为基岩层。降水强度假定为100 mm/d，降水持续时长为3 d。根据计算剖面，建立数值计算模型，见图2。选取模型的3个监测断面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ进行详细分析，提取监测断面孔隙水压力和位移等特征值。

模型的边界条件为：底部约束3个方向的位移计转角；左右两侧约束水平位移；模型顶部为自由边界。此外，计算中假定地下水位线与DE等高，并在模型左右两侧施加10 m的水头边界。

图1 边坡典型剖面图

图2 数值模拟图

2.2 岩土体物理力学参数

坡残积土采用M-C本构模型，抗滑桩、基岩以及网格梁采用弹性本构。具体材料的物理力学参数见表1。

已有研究表明，土体的水土特征曲线可用V-G模型模拟，具体表达式为：

(1)

式中：θ为体积含水率；θs为饱和体积含水率；θr为残余体积含水率；α、n、m为拟合参数；φ为土体的基质吸力。

本文所使用土体的土水特征参数见表2。

表1 材料力学参数

表2 岩土体非饱和渗透特性参数

3 计算结果与分析

3.1 孔隙水压力特征

图3为3个能监测断面沿厚度方向孔隙水压力的变化规律。结果表明，初始阶段，孔隙水压力均为负值，随着厚度增大，孔隙水压力呈线性增大。随着降雨时间的增长，孔隙水压力逐渐由负值变为0，表明坡体出现暂态饱和区。随着降雨进一步增大，饱和区域不断扩大，坡脚处的孔隙水压力大于坡肩和坡中位置。总体表明，持续降雨下，坡脚位置处岩土体为最不稳定区域。

图3 不同位置处孔隙水压力随厚度变化规律

3.2 体积含水率特征

图4为3个能监测断面沿厚度方向体积含水率的变化规律。结果表明，随着降雨时长的持续增加，坡体含水率逐渐增大，影响范围随之扩大，但小于饱和体积含水率。图4(b)和图4(c)表明，降雨汇集至坡脚位置，坡脚处体积含水率增大至0.3，表明出现暂态饱和区，并且不断向上扩展。降雨结束时，地下水位线降低至0 m。总体表明，降雨导致的坡体失稳首先发生于坡脚；当坡脚发生滑坡时，会进一步牵引坡体上部失稳破坏，最终会形成牵引式滑坡。因此，实际工程中应注意在坡脚处设置排水沟，以保证边坡排水及时，保证坡体稳定性。

图4 不同位置处体积含水率随厚度变化规律

3.3 安全系数计算分析

采用强度折减法计算边坡加固前后的稳定系数并汇，见表3。结果表明，加固前，坡体的稳定性系数均小于1.15。随着降雨持续时间的增大，稳定系数不断减小；到降雨持续3 d时，稳定系数仅为1.01，边坡处于欠稳定状态。采用抗滑桩对边坡进行加固后，边坡的稳定性大大增强。加固后的稳定系数均大于规范规定的1.20，满足边坡安全性要求，表明采用抗滑桩进行边坡加固是有效的。

表3 加固前后稳定系数随降雨变化规律

3.4 边坡位移分析

表4为加固前后边坡坡脚处的最大水平位移。结果表明，加固前，降雨持续1 d、2 d和3 d后的坡脚处最大位移分别为62、74和100 mm，表明3 d持续降雨下，边坡处于失稳状态。采用抗滑桩加固后，降雨持续1 d、2 d和3 d后的坡脚处最大位移分别为15、17和21 mm，表明加固后边坡的最大水平位移显著减小，坡体处于稳定状态。

表4 加固前后边坡最大水平位移

3.5 最大剪应力分析

图5为不同监测断面处最大剪应力随边坡厚度变化趋势。图5(a)表明，由于抗滑桩布置在边坡下部，因此加固前后，坡体的最大剪应力减小不明显。图5(b)和图5(c)表明，抗滑桩的加固作用明显。断面Ⅱ中，坡脚处的土体剪应力由33 kPa 减小至22 kPa；坡顶处的土体剪应力由20 kPa 减小至18 kPa。断面Ⅲ中，坡脚处的土体最大剪应力由33 kPa 减小至15 kPa；坡顶处的土体剪应力由10 kPa 减小至6 kPa。分析其原因，主要是由于抗滑桩的布置使得桩后土体位移显著减小，进而产生土拱效应[12]，降低了最大剪应力，有效保证坡体稳定性。

图5 不同位置处最大剪应力随厚度变化规律

4 结 论

本文采用有限元方法研究了抗滑桩加固边坡效果，分析了在不同降雨持续工况下边坡的渗流场变化特性、孔隙水压力特点以及边坡在加固前后的稳定系数变化规律，结论如下：

1) 持续降雨下，坡体孔隙水压力和体积含水率均增大；随着降雨持续时间的增大，坡脚处最先出现暂态饱和区，也即坡脚处属于边坡最不稳定的区域。进一步增大降雨时间，地下水位线升高，坡体饱和区不断向坡体内部扩展和延伸，坡体的稳定性下降。

2) 采用强度折减法计算边坡加固前后的稳定性表明，加固前，坡体的稳定性系数均小于1.15。随着降雨持续时间的增大，稳定系数不断减小；到降雨持续3 d时，稳定系数仅为1.01，边坡处于欠稳定状态。采用抗滑桩对边坡进行加固后，边坡的稳定性大大增强。加固后的稳定系数均大于规范规定的1.20，满足边坡安全性要求。

3) 抗滑桩可有效减小坡体最大水平位移，加固前坡脚处的最大位移分别为62、74和100 mm。采用抗滑桩加固后，坡脚处的最大位移分别为15、17和21 mm，表明加固效应明显。此外，最大剪应力分布规律也表明，抗滑桩的布置可保证边坡安全。