滑坡稳定性及抗滑桩加固治理数值模拟研究

2024-03-04张国庆

四川水泥 2024年2期

张国庆

（重庆钢铁集团设计院有限公司，重庆 400080）

0 引言

随着经济快速发展，各种工程的建设规模日益扩大，不可避免会出现高大边坡。在自身重力、降雨、地震力等因素作用下，岩土体的抗剪强度可能小于剪切力，从而使剪切面的上下两部分土体产生相对位移，即滑坡现象。滑坡在我国分布较普遍，破坏力极强，如果不能提前识别滑坡或选择的治理方案不合理，容易造成房屋坍塌、交通堵塞等灾害，严重的会导致巨大的经济损失和人员伤亡。抗滑桩具有承载能力强、抗滑效果好等优势，在滑坡治理中应用广泛。但设计人员在制定滑坡治理方案时，盲目参考其它项目图纸，不重视滑坡计算[1]。因此，采用数值模拟技术进一步研究滑坡稳定性及抗滑桩加固治理措施，具有重要的工程价值。本文结合具体案例开展该课题的研究工作。

1 工程概况

该滑坡工程坡脚标高约1045m，坡顶标高约1078～1082m，相对高差约33.0～37.0m。滑坡后缘较陡，自然坡度约15°～35°。居民为了在边坡坡面上修建房屋，对边坡坡体进行了开挖，开挖后呈“阶梯状”。潜在滑动面沿泥岩顶，总面积约1.68×104m2，滑体厚度约15～25m，滑坡体积约26.6×104m3，主滑方向170°。在连续降雨天气下，滑坡坡面产生局部变形，出现张拉裂缝。为了避免滑坡进一步发育，拟对其进行加固处理[2]。

通过现场钻探、物探等手段，查明该滑坡的滑体由粉土、粉质黏土组成，层厚分别为10～16m、2～8m；滑坡前缘局部上覆杂填土，厚2.5～5.0m；滑坡滑床岩性是泥岩，处于干燥状态，强度较高。该滑坡的剖面图如图1所示。

图1 滑坡体剖面图

滑坡所在区域属温带半湿润气候，四季变化明显，多年平均气温为11.5°C，相对湿度在65%～70%，多年平均雨量为550mm，且降雨以短时强降雨为主，主要集中在6～9月份。

2 滑坡成因分析

经现场调研，发现该滑坡的成因主要有以下几个方面：

（1）滑坡前缘与后缘的相对高差较大，导致边坡后缘陡峭、前缘开阔，且滑体上覆的粉土结构松散，孔隙比大，垂直节理较发育，为雨水入渗创造了条件；

（2）边坡坡体中部及后部建设有房屋，增大了坡体的下滑荷载，同时房屋建设的扰动破坏了坡体内的应力平衡；

（3）连续降雨是诱发滑坡的直接因素。雨水深入坡体后一部分滞留在坡体浅表层，增大粉土的重度，从而增大坡体下滑力。另一部分雨水入渗补给滑坡地下水，加速了滑坡坡体蠕变。

3 降雨条件下滑坡稳定性分析

滑坡稳定性分析并不是简单的二维平面问题，而是复杂的三维问题。本文利用有限元软件ABAQUS建立三维计算模型，以便于更真实地模拟降雨对滑坡稳定性的影响，其主要建模步骤为：导入CAD图纸建模→输入各岩土层的物理力学参数→初始地应力→定义降雨分析步→定义荷载→定义边界条件→划分网格→滑坡稳定系数计算→导出计算结果。

3.1 建立计算模型

3.1.1 本构模型

假设滑坡岩土体为连续、均匀、各向同性的材料，在分析稳定性时选择Drucker—Prager本构模型（简称D—P模型）。D—P模型同时考虑了中间主应力和静水压力对岩土体应力应变的影响[3]。

3.1.2 边界条件

滑坡模型底部可认为是固定端，x、y、z三个方向均约束，且为不透水边界；模型左右两侧、前后两侧分别约束y方向、x方向的位移；模型表面为自由边界，并根据降雨情况设置降雨边界条件。此外，滑坡孔隙水边界条件结合地下水位确定。经过现场详细勘察，该滑坡坡体内的地下水位是起伏的。结合其它研究成果，将起伏的地下水位简化成一个斜面。

3.1.3 网格划分

基于滑坡的平面图和剖面图建立滑坡三维模型，将CAD文件导入ABAQUS软件，生成滑坡三维部件，并划分地层。模型建好后，采用六面体单元划分网格（C3D8RP单元），网格尺寸取1.0m，共划分出2698个单元，3316个节点，如图2所示。

图2 滑坡三维计算模型

3.1.4 降雨分析步

根据当地降雨统计资料，共设置5种降雨工况（工况1～工况5），降雨强度分别为10mm/d、20mm/d、40mm/d、80mm/d、120mm/d，对应的雨量等级分别为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨，对应的降雨历时均为72h。滑坡渗流计算共有四个分析步：初始步、荷载分析步（滑坡稳态渗流计算）、降雨分析步（滑坡瞬态渗流计算）、折减分析步（滑坡稳定性系数计算）。

3.2 滑坡稳定性计算

3.2.1 计算理论

滑坡稳定性计算采用强度折减法，即滑坡处于极限平衡状态时，潜在滑动面上的剪应力（下滑力）等于滑带土抗剪强度参数按某一系数折减后的抗剪强度，此时的强度折减系数就是滑坡稳定性系数Fs，计算公式如下[4]：

式中：

c、φ——滑坡土体折减前的抗剪强度参数；

cm、φm——滑坡土体折减后的抗剪强度参数。

强度折减法判断滑坡是否失稳有三种判据：迭代计算是否收敛及位移突变点、塑性区是否贯通，本文采用第三种判据来计算滑坡的稳定性系数。

3.2.2 计算结果

经计算可知：滑坡体有效应力随着降雨持续不断减小，且降雨强度越大，其减小幅度越大。降雨入渗对滑坡坡脚的有效应力影响最大，不利于坡脚的稳定性。同时，滑坡坡脚处高程较低，距离地下水位近，孔隙水压力较小。

在连续降雨天气下，雨水在滑坡表面形成径流，通过滑坡表面的裂缝渗入岩土体内部，使得潜在滑动面以上的滑体含水率提高，重度和下滑力增加，抗剪强度降低，从而导致滑坡经连续降雨后发生较大变形。工况1～工况5条件下的滑坡稳定性系数如图3所示。

图3 不同降雨工况下滑坡稳定性

由图3可知：工况1～工况5所对应的滑坡稳定性系数分别为1.308、1.286、1.255、1.186、1.177。由此可知，降雨强度越大，降雨持续时间越长，滑坡的稳定性系数越小。

4 抗滑桩加固滑坡的设计原则及参数优化

4.1 滑坡方案设计原则

结合上文滑坡稳定性系数计算结果，拟定该滑坡的治理方案为：抗滑桩支挡+截、排水工程+前缘抗滑挡土墙，其关键是抗滑桩的设计。在设计抗滑桩时，应遵循两大原则：

（1）抗滑桩位置要考虑施工可行性，不宜放置在施工机械难以进场或操作的路段；

（2）抗滑桩的桩长、桩间距等要在满足滑坡稳定性的基础上尽量优化，以保证治理方案的经济性[5]。

4.2 滑坡推力计算及抗滑桩参数选取

4.2.1 滑坡推力计算

由《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013），在设计滑坡治理方案时，其稳定系数与边坡类型和边坡安全等级有关。以一级边坡为例，永久边坡在一般工况下的安全系数取1.35，永久边坡在地震工况下的安全系数取1.15，临时边坡的安全系数取1.25。由于滑坡所处区域的抗震设防烈度为VI度，地震力对滑坡稳定性系数的影响可忽略不计。因此，计算滑坡推力不必考虑地震作用。

该滑坡共划分了8个条块，每个条块的滑坡推力计算公式如下

式中：

pi、pi-1——分别为第i个和第i-1个条块的滑坡推力；

ψi-1——滑坡推力传递系数；

r——滑坡推力安全系数；

Ti——第i个条块的下滑力，kN/m；

Ri——第i个条块的抗滑力，kN/m。

滑坡各个条块的滑坡推力计算结果如表1所示。

表1 滑坡各个条块的推力（单位：kN/m）

4.2.2 抗滑桩参数

抗滑桩是嵌入滑坡体内部发挥作用，依靠抗滑桩自身抗剪能力及嵌固层基岩、桩间土体所提供的被动土压力来抵挡滑坡推力。

滑坡在坡脚布置一排抗滑桩来抵抗滑坡推力，初步拟定的设计参数为：桩长24m、桩间距5m，横截面积为1.5m×2m，抗滑桩桩身材料为C30 钢筋混凝土，重度取24kN/m3，弹性模量E=30GPa，泊松比0.2。在模拟计算之前，将抗滑桩设置为弹性体，初始平衡地应力，再计算不同桩长、桩间距下的滑坡稳定性系数，以优化滑坡治理方案。

根据相关研究成果，抗滑桩与滑坡岩土体之间的接触关系会影响抗滑桩的加固效果。ABAQUS软件中内置了两种接触属性来模拟桩-土间接触，其中Node to Surface接触的“穿透现象”明显，计算精度较低，故计算滑坡稳定性系数时建议采用Surface to Surface接触关系[6]。

4.3 抗滑桩治理边坡结果分析

4.3.1 桩间距对滑坡稳定性的影响

桩间距对滑坡稳定性的影响主要体现在其“土拱效应”，且直接影响滑坡治理方案的经济性。利用ABAQUS软件计算桩间距为5m、6m、7m、8m、9m时，滑坡在非天然工况I下的总位移和稳定性系数（见图4所示）。

图4 不同桩间距下滑坡稳定系数

当抗滑桩桩间距从5m增加至7m，桩后土体位移仅增加了5.6cm。说明抗滑桩引起的“土拱效应”逐渐开始发挥，抗滑桩能有效地抵挡滑坡推力；桩间距从7m增加至9m，桩后土体位移变化幅度大，增加了13.9cm，说明“土拱效应”减弱，抗滑桩对滑坡的加固效果也减弱。此外，在抗滑桩桩间距变化的过程中，桩前位移无明显变化。

图4计算结果表明：随着抗滑桩间距的增加，滑坡的稳定系数不断降低，但降低速率逐渐变缓。当抗滑桩间距从5m增加至9m，滑坡稳定系数分别降低了0.09、0.08、0.05、0.03。当抗滑桩桩间距≤7m，滑坡稳定系数呈骤降趋势；当抗滑桩桩间距超过7m，滑坡稳定系数变化不明显，抗滑桩的加固效果差。综上，建议该滑坡的抗滑桩间距不超过7m。

4.3.2 桩长对滑坡稳定性的影响

抗滑桩桩长也会直接影响滑坡治理工程的造价。为了提高滑坡治理方案的经济性，利用ABAQUS软件计算抗滑桩桩长为16m、18m、20m、22m、24m时，滑坡在非天然工况I下稳定性系数，计算结果表明：在其它设计参数不变的条件下，滑坡稳定系数随桩长的增加而增加，当抗滑桩桩长从16m 增加至24m，滑坡稳定系数分别提高了0.022、0.020、0.018、0.007。说明抗滑桩桩长＞22m后，滑坡稳定系数变化不明显，在滑坡治理设计时不可盲目增加桩长。