地质灾害治理中抗滑桩布局优化方法研究

张来功

（广东省核工业地质调查院，广东 广州 510800）

1 概述

滑坡是我国较为常见的地质灾害之一，对滑坡体的治理是较为关键的工作，而抗滑桩由于其工程量小、抗滑效果好等优点被工程单位较为广泛使用，在抗滑桩的布置中，合理地布置抗滑桩位置可以提高抗滑桩的抗滑效果、减小工程造价、提高抗滑桩性能。

对于抗滑桩最优位置的确定，相关专家学者进行了大量的研究，并取得了较为丰硕的成果：年廷凯等[1]通过构建三维数值分析模型，分析得出抗滑桩的最佳布置位于滑坡体的中下部；王聪聪等[2]分析了桩体自身的参数对提升滑坡体稳定性的影响，并分析抗滑桩的参数对抗滑桩最优位置确定的影响；李家平等[3]采用极限平衡法分析桩体的最佳布置方案；戴自航等[4]利用传递系数法分析抗滑桩的最佳布置位置，并对得到的最优位置进行验证；谭捍华等[5]通过能量法分析抗滑桩桩体的布置方案，分析得出在滑坡体的中下部布置抗滑桩效果最佳；Gong等[6]分析得出在边坡坡脚位置布置抗滑桩对滑坡体的稳定性影响最大；Fang等[7]对多滑带边坡建立有限元数值分析模型，分析不同位置抗滑桩的布置对滑坡体参数的影响；Pan等[8]对不同位置抗滑桩的影响作用进行了研究，得出较为普遍的抗滑桩布置位置。

基于前人的研究基础，研究结合韶关市某滑坡体治理工程为研究对象，建立FLAC 3D数值分析模型，分析滑坡体的应力应变状态，并结合滑坡体的应力应变确定抗滑桩的最优布置点。

2 工程概况

本研究以韶关市仁化县董塘镇五一村老凡口组滑坡地质灾害治理工程为研究对象，该边坡未采取任何支护加固措施或系统性截排水措施，存在潜在滑动面。为了防止发生滑坡地质灾害将对坡脚居民及财产造成严重损失，计划采取工程治理措施进行防护。滑坡带的土体构成主要包括块石、碎石、砾石和砂土，砂土含量约占21.60%，块石、碎石和砾石含量约占78.40%，该滑坡带土体组成成分分布均匀。根据地质资料显示该滑坡土体地质带处于临界稳定状态，需要对其进行加固处理。

3 建立模型

对该滑坡区段建立FLAC 3D数值分析模型，对滑坡体及进行分层，分为滑带、滑体和滑床三层滑坡体结构，模型结构的边界条件为：在模型地面施加固定约束，在模型两侧施加法相约束。该模型共有84720个单元节点，将该模型划分为78710个单元，滑坡模拟过程中采用M-C理论，抗滑桩桩体采用实体单元结构。根据勘测设计资料，模拟过程中模型结构物理力学性质参数如表1所示。

表1 材料物理力学性质

4 抗滑桩布置方案设计

4.1 滑坡体应力、位移及加固位置优化分析

图1、图2分别为滑坡体的水平方向应力水平、塑性区分布图，由图分析可得：该滑坡体的底部应力水平较高，在滑坡中下部区域存在高应力水平区，且有向两侧扩展的变化趋势。对于滑坡中下部区域存在高应力水平区。

图1 滑坡体应力水平

图2 滑坡体塑性区分布图

该滑坡体结构的安全系数为1.06，表明该滑坡体处于临界破坏状态，因而需要对该滑坡体采取工程防护措施进行加固，由于该滑坡体的滑坡面位于坡体前缘，因而需要将抗滑桩结构布置在滑坡体的中下部位置，但在中下部位置的不同点布置抗滑桩对于防护的效果是不同的，因而需要对抗滑桩的布置点进行优化设计从而使得抗滑桩的工程效果达到最佳。对于抗滑桩布置点的选取，主要有两种方法进行设计布置：①在塑性区集中的位置布置抗滑桩从而进一步减小土体的位移量；②在滑带应力水平较高的位置布置抗滑桩，在滑带的中下部位置应力水平相对其它位置较高，尤其是水平向X坐标为383.26～393.26m的滑带位置应力水平较大，均大于0.95。综合考虑以上两种布置抗滑桩的方案，在水平向X坐标为315.76～403.26m从坡体左侧向右侧布置抗滑桩，共计选取12个抗滑桩位置点，分布规律如表2所示，抗滑桩的嵌固长度为桩长的1/3，桩体结构的材料力学参数选取如表1所示，同时采用不同抗滑桩布置方案的加固效果进行对比分析从而验证该方案的可行性。

表2 抗滑桩分布规律

4.2 不同抗滑桩布置方案加固效果分析

对于不同位置的抗滑桩采用强度折减法分别分析每个抗滑桩加固后滑坡体的安全系数值，分别将加固前坡面观测点水平位移、每个抗滑桩加固后滑坡体的安全系数绘制如图3所示，加固前滑带观测点应力水平、每个抗滑桩加固后滑坡体的安全系数绘制如图4所示，计算出最优加固位置后，最优加固位置J点加固后的塑性区分布如图5所示，这样可以更好地反映每个抗滑桩的加固对X方向应力水平、位移、塑性区分布的影响。

图3 加固前坡面观测点水平位移以及每个抗滑桩加固后滑坡体的安全系数

图4 加固前滑带观测点应力水平以及每个抗滑桩加固后滑坡体的安全系数

图5 最优位置抗滑桩加固后滑坡体塑性区分布

对比分析图3、图4、图5可以分析得出：

(1)抗滑桩加固后滑坡体的安全系数的主要影响因素是抗滑桩布置的位置，虽然抗滑桩均分布在滑带的中下部位置，但不同的X向坐标值对于滑坡体的影响作用效果也是不相同的，比较分析每一段X向坐标的区段：①在X=310.00～360.00m区段范围内，加固前滑带观测点应力水平处于较低水平，但抗滑桩的加固对于安全系数的提升效果较低；②在X=360.00～388.26m区段范围内，加固前滑带观测点应力水平处于快速增长的变化趋势，抗滑桩的加固对于安全系数的提升效果明显，使得滑坡土体的稳定性快速提升；③在X=388.26～393.26m区段范围内，加固前滑带观测点应力水平处于高应力水平，抗滑桩的加固对于安全系数的提升效果非常明显，达到了最大值1.28，加固效果在所有区段中最好；④在X=393.26～403.26m区段范围内，加固前滑带观测点应力水平较高，且变形区域是几个区段中最大的，但抗滑桩的加固效果一般，桩后土体存在越过抗滑桩向下滑动的可能。

(2)对比分析图3中的数据可以发现，对于根据加固前坡面观测点水平位移进行布置抗滑桩可以有效加固滑坡土体，但图中的加固前坡面观测点水平位移及每个抗滑桩加固后滑坡体的安全系数增大减小的点并不完全相同，在变形最大的点加固效果并不是最好的，因而根据加固前坡面观测点变形进行布置抗滑桩并不是最优的方案。对比分析图4中的数据可以发现，加固前坡面观测点应力水平与抗滑桩加固后滑坡体的安全系数的变化趋势基本相同，且在高应力水平的区域布置抗滑桩可以有效减小水平方向应力、水平位移及塑性区的大小，进而提升滑坡体的稳定性，因而根据固前滑带观测点应力水平进行布置抗滑桩是较好的方案。

(3)在实际工程中也经常依据滑带塑性区的贯通程度较为集中的区域进行抗滑桩的布置，但依据图2中的塑性区分布范围显示，在滑带区塑性区贯通的区域面积较大，因而依据滑带塑性区的贯通程度布置抗滑桩难以准确确定具体哪个滑带塑性贯通为主要贯通区。

5 结论

本研究以韶关市仁化县董塘镇五一村老凡口组滑坡地质灾害治理工程为研究对象，对滑坡体建立FLAC 3D数值分析模型分析滑坡体的水平方向应力水平、位移、塑性区分布以及滑带位置水平应力分布，并分析抗滑桩的最佳布置点，主要得到以下结论：

(1)依据滑坡体的水平方向应力水平、位移、塑性区分布以及滑带位置水平应力分布提出了布置12个抗滑桩对滑坡土体进行加固。

(2)相较于依据滑坡体的水平方向应力水平、位移、塑性区分布布置抗滑桩，依据滑带位置水平应力分布布置抗滑桩可以更有效地提高滑坡土体的稳定性，确定出最优方案。

(3)抗滑桩的布置可以有效减小滑坡体的水平方向应力水平、位移以及滑带位置水平应力，缩小滑坡体的塑性区域面积。