抗滑樁對滑坡穩(wěn)定性影響機理數(shù)值模擬分析

王 忠

（成都中材建設(shè)工程公司，四川 成都 610052）

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抗滑樁對滑坡穩(wěn)定性影響機理數(shù)值模擬分析

王 忠

（成都中材建設(shè)工程公司，四川 成都 610052）

【摘 要】運用ABAQUS有限元軟件建立抗滑樁—邊坡模型，對抗滑樁穩(wěn)定邊坡的機理進行數(shù)值模擬，基于有限元計算方法，探討抗滑樁作用時的坡體不同位置的位移、應(yīng)力、坡頂安全系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明：抗滑樁邊坡在受力初期，邊坡沿著樁體前后分別發(fā)生微小位移，此時樁體從上到下均參與抵抗土體位移；在受力中期，位移沿著樁體從基底向上發(fā)展，此時只有樁體上半段參與抵抗土體位移；當(dāng)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時只有樁體上部的1/3段抵抗土體產(chǎn)生的位移變形，且邊坡的圓弧滑動面已經(jīng)被抗滑樁切斷；無抗滑樁時，隨著邊坡受力時間的延長，邊坡由原來的無滑動趨勢到最后失穩(wěn)破壞時出現(xiàn)了連續(xù)貫通的圓弧形滑動面；邊坡加固前的安全系數(shù)為2.28，抗滑樁加固后的安全系數(shù)為2.49，抗滑樁能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】抗滑樁；滑坡；穩(wěn)定性；安全系數(shù)

目前，國內(nèi)外針對滑坡災(zāi)害防治技術(shù)措施［1-3］大致包括坡面防護、壓坡腳、坡頂卸載、抗滑樁、錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索以及不同方法的綜合加固措施等，尤其在大型滑坡災(zāi)害防治工程中往往同時采用一種或多種防治措施，其中抗滑樁加固邊坡土體是一種較為常用的加固技術(shù)。隨著對滑坡防治工程的不斷實踐和工程經(jīng)驗的積累，工程技術(shù)人員已經(jīng)意識到對不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定滑坡采用抗滑樁等預(yù)加固措施是非常有效的。

本文以北川縣中聯(lián)水泥有限公司南側(cè)及左側(cè)邊坡加固工程為例，運用ABAQUS有限元軟件建立模型，對抗滑樁穩(wěn)定邊坡的機理進行數(shù)值模擬，基于目前有限元計算方法，探討抗滑樁作用時的坡體不同位置的位移、應(yīng)力、邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律， 為抗滑樁穩(wěn)定邊坡土體提供可靠的理論依據(jù)和設(shè)計方案。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀

北川中聯(lián)水泥有限公司預(yù)均化堆場南側(cè)滑坡位于綿陽市北川縣擂鼓鎮(zhèn)，由于在預(yù)均化堆場南側(cè)邊坡前緣開挖，形成了高陡臨空面，破壞了斜坡的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致斜坡產(chǎn)生蠕動變形。調(diào)查發(fā)現(xiàn)斜坡后緣山體出現(xiàn)裂縫，斜坡后緣、側(cè)緣均出現(xiàn)了拉張裂縫，而且連續(xù)貫通。根據(jù)勘查期間應(yīng)急變形監(jiān)測結(jié)果可知，目前斜坡正處于蠕動變形階段，在暴雨、地震、斜坡前緣切坡等誘發(fā)因素作用下極有可能發(fā)生滑動變形，形成滑坡地質(zhì)災(zāi)害，危及斜坡下方預(yù)均化堆場及正在進行邊坡施工的人員等生命財產(chǎn)安全。

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，距場地北側(cè)約1.0km處為北川大斷裂，北川大斷裂（屬龍門山斷裂帶）為一條活動的發(fā)震沖斷層，斷層傾向北西，傾角60～70°，為寒武系的砂巖逆沖于志留系、泥盆系乃至石炭系之上，切割深度較大，垂直斷距千米以上，沿斷層分布著串珠狀的上升泉。場地西側(cè)為擂鼓平錯斷裂（亦屬龍門山斷裂帶），距離場地1.0km，亦為發(fā)震斷層。擬建場地位于北川大斷裂和擂鼓平錯斷裂之間，均屬于龍門山斷裂帶，且為發(fā)震斷層——龍門山地震帶。因此，場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定。

1.3 勘查區(qū)工程地質(zhì)條件

場地由南向北地勢逐漸降低，滑坡體及影響范圍內(nèi)地面最高高程約860m，最低高程約760m，相對高差達100m，坡向N8°E，地形坡度10～25°。

地貌單元屬巖溶溶蝕山間坡地，微地貌坡積為主。暴雨期間地表水匯集，沿滑坡體東側(cè)水溝排泄，對滑坡體進行沖蝕作用。地表灌木覆蓋，自然邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡體全貌見圖1。

圖1　滑坡體全貌

本工程根據(jù)以上滑坡特點，采用抗滑樁對其進行治理，采用了具有適用于無地下水或少量地下水，山區(qū)可—硬塑粘性土、塊石土、基巖等挖孔時不易塌方地層，設(shè)備簡單、工期短、不污染環(huán)境等優(yōu)點的人工挖孔樁的形式。本次勘察采取粘性土體6件進行抗壓、抗剪試驗，其物理力學(xué)試驗指標如下表。

土體與樁體物理力學(xué)參數(shù)

2 計算方法及有限元模型建立

在巖土工程中，過去分析邊坡穩(wěn)定性主要采用條分法和極限平衡法，但由于其計算方法中存在大量假設(shè)，存在較多缺陷，進而限制了其應(yīng)用。隨著計算機的發(fā)展，將有限單元法運用到邊坡穩(wěn)定分析，提高了計算結(jié)果的精度，并克服了傳統(tǒng)方法的缺點。有限單元法［4-7］進行巖土力學(xué)的極限分析包括兩種方法。

2.1 有限元強度折減法

巖土工程中的破壞主要是剪切和拉裂，一般宜采用帶最大拉應(yīng)力的莫爾—庫倫強度準則，即：

式中：c ——粘聚力；

f ——摩擦系數(shù)；

R1——抗拉強度；

f =tanφ，φ為內(nèi)摩擦角。

計算時，先將材料強度降低k 倍，即取強度準則為：

不斷增大k 值，直到邊坡達到極限平衡狀態(tài)，破壞時的k 值即為安全系數(shù)或強度折減系數(shù)。一般情況下，邊坡土體的摩擦系數(shù)f 比較穩(wěn)定，而粘聚力c 會隨著土體受荷和外界條件的變化而變化，因而需要對強度折減法進行修正，即

式中：kc=1+w；

kf=1+s1w；

kt=1+s2w；

w為超載系數(shù)，其由0開始逐步增加；

s1和s2是異于1的兩個系數(shù)。

2.2 有限元增量加載法

有限元增量加載法，即超載法，在計算中逐步增加邊坡頂部荷載，巖土體由初始的彈性狀態(tài)逐步過渡到塑形狀態(tài)，直至最后達到極限破壞狀態(tài)，對應(yīng)的荷載即為極限荷載，極限荷載與設(shè)計荷載的比值即為超載系數(shù)。粘聚力c 有量綱，而摩擦系數(shù)f 無量綱，進而表明強度折減系數(shù)與超載系數(shù)的數(shù)值不同。

采用強度折減法計算時，當(dāng)k 值變化一定數(shù)值時邊坡達到極限平衡狀態(tài)，此時的極限條件為：

采用超載法計算時，剪應(yīng)力τ和正應(yīng)力σ都隨荷載的增加而增大，當(dāng)荷載為w時，達到極限平衡狀態(tài)，此時的應(yīng)力條件為：

比較式（7）與式（8）、式（9）可知，在強度折減法中，摩阻力和粘聚力是同步降低；而在超載法計算中，摩阻力fσ并未改變，只有粘聚力降低。因而對于相同的材料和結(jié)構(gòu)形式，強度折減系數(shù)k 低于超載系數(shù)w。本文采用強度折減法進行數(shù)值模擬分析。

2.3 抗滑樁—邊坡模型概況

抗滑樁邊坡模型如圖2所示，邊坡坡頂?shù)交赘叨葹?0m，邊坡坡腳到基底高度為10m，邊坡坡高為10m，邊坡坡度為1∶1.5，抗滑樁距坡頂?shù)木嚯x為4.5m，距破腳的距離為10.5m，樁長為15m，樁徑為1.0m，樁間距為4D=4.0m，樁端距離土體底部的距離為2.0m。

圖2　抗滑樁邊坡模型平面圖

2.4 有限元模型建立

通過ABAQUS有限元軟件對抗滑樁邊坡進行建模，由于抗滑樁的存在，并考慮節(jié)省計算機資源，利用結(jié)構(gòu)的對稱性，對圖2中的陰影部分進行建模。分析過程中，土體采用理想彈塑形Mohr-Coulomb模型，樁體采用彈性材料，樁土材料參數(shù)見上表。建模過程中，保證樁端與樁端土體、樁身與樁身土體相接觸，并提供大小為0.02的摩擦系數(shù)。限定模型左右兩面上的X 方向水平位移，限定前后兩面上Y 方向水平位移和基底三個方向的位移，在樁的對稱面上也要約束住Y方向的位移。所建立的有限元模型如圖3所示。

圖3　抗滑樁邊坡有限元模型立面圖

3 抗滑樁提高邊坡穩(wěn)定機理

3.1 抗滑樁邊坡的受力機理分析

抗滑樁失穩(wěn)初期、中期及邊坡失穩(wěn)時位移增量云圖見圖4～圖6。

圖4　抗滑樁受力初期位移增量云圖

圖5　抗滑樁受力中期位移增量云圖

圖6　邊坡失穩(wěn)時抗滑樁位移增量云圖

如圖4所示，抗滑樁邊坡在受力初期，邊坡沿著樁體前后分別發(fā)生微小位移，此時樁體從上到下均參與抵抗土體變形；如圖5所示，抗滑樁邊坡在受力中期，位移沿著樁體從基底向上發(fā)展，此時只有樁體上半段參與抵抗土體位移；如圖6所示，當(dāng)有限元模型計算不收斂時，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時只有樁體上部的1/3段抵抗土體產(chǎn)生的位移變形，邊坡失穩(wěn)破壞時，邊坡的圓弧滑動面已經(jīng)被抗滑樁切斷，進而分成了兩個圓弧。根據(jù)有限元結(jié)果分析得到，此時樁前土體和樁之間出現(xiàn)脫開，并產(chǎn)生了樁后土體繞樁體滑動的繞流失穩(wěn)現(xiàn)象［11-12］。

3.2 無抗滑樁邊坡的受力機理分析

無抗滑樁邊坡受力初期、中期及失穩(wěn)時位移增量云圖見圖7～圖9。分析圖7～圖9可得，隨著邊坡受力時間的延長，邊坡由原來的無滑動趨勢到最后失穩(wěn)破壞時出現(xiàn)了連續(xù)貫通的圓弧形滑動面。對比圖6、圖9可知，抗滑樁切斷了連續(xù)的圓弧滑動面，進而提高了邊坡的穩(wěn)定性和承載能力。

3.3 有無抗滑樁邊坡的安全系數(shù)分析

將坡頂水平位移與安全系數(shù)的場變量FV1變化關(guān)系曲線繪于圖10，以位移拐點為評價標準，由曲線可以得到，邊坡加固前的安全系數(shù)為2.28，加固后的安全系數(shù)為2.49，表明抗滑樁加固邊坡土體的效果顯著［13-14］。

圖7　無抗滑樁邊坡受力初期位移增量云圖

圖8　無抗滑樁邊坡受力中期位移增量云圖

圖9　無抗滑樁邊坡受力失穩(wěn)時位移增量云圖

4 結(jié)論

針對抗滑樁加固邊坡土體的機理展開研究，主要結(jié)論如下：

（1）抗滑樁邊坡在受力初期，邊坡沿著樁體前后分別發(fā)生微小位移變形，此時樁體從上到下均參與抵抗土體位移；在受力中期，位移沿著樁體從基底向上發(fā)展，此時只有樁體上半段參與抵抗土體位移。

（2）當(dāng)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時只有樁體上部的1/3段抵抗土體產(chǎn)生的位移變形，且邊坡的圓弧滑動面已經(jīng)被抗滑樁切斷，此時樁前土體和樁之間出現(xiàn)脫開，并產(chǎn)生了樁后土體繞樁體滑動的繞流失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）無抗滑樁時，隨著邊坡受力時間的延長，邊坡由原來的無滑動趨勢到最后失穩(wěn)破壞時出現(xiàn)了連續(xù)貫通的圓弧形滑動面；邊坡加固前的安全系數(shù)為2.28，抗滑樁加固后的安全系數(shù)為2.49，抗滑樁能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖10　水平位移U1與安全系數(shù)FV1關(guān)系曲線

【參考文獻】

［1］劉永莉，孫紅月.抗滑樁變形監(jiān)測及位移確定研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013（10）：2147-2153.

［2］梁冠亭，陳昌富，朱劍鋒，等.基于M-P法的抗滑樁支護邊坡穩(wěn)定性分析［J］.巖土力學(xué)，2015（2）：451-456，469.

［3］雷國平，唐輝明，程昊，等.考慮豎向摩阻力的抗滑樁嵌固段內(nèi)力計算［J］.巖土力學(xué)，2014（8）：2197-2204.

［4］陳昌富，杜翠翠，張根寶，等.基于雙參數(shù)法剛性抗滑樁嵌固深度可靠性設(shè)計［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，41（2）：40-46.

［5］于洋，孫紅月，尚岳全，等.基于樁周土體位移的雙排抗滑樁計算模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014（1）：172-178.

［6］傅強，孫飛飛，唐承鐵，等.雙排微型抗滑樁的抗滑效果［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（4）：1596-1602.

［7］戴自航，徐祥.邊坡抗滑樁設(shè)計計算的三維有限元法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（12）：2572-2578.

［8］年廷凱，徐海洋，李東晨，等.不同截面型式抗滑樁加固邊坡數(shù)值分析［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，2013，53（5）：695-701.

［9］楊雪強，吉小明，張新濤，等.抗滑樁樁間土拱效應(yīng)及其土拱模式分析［J］.中國公路學(xué)報，2014，27（1）：30-37.

［10］鄒盛堂，戴自航.抗滑樁計算的綜合剛度與三參數(shù)法數(shù)值解［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（z2）：3718-3723.

［11］年廷凱，徐海洋，劉紅帥，等.抗滑樁加固邊坡三維數(shù)值分析中的幾個問題［J］.巖土力學(xué)，2012，33（8）：2521-2526，2535.

［12］金愛兵，高永濤，孫金海，等.抗滑樁抗滑機理及錨桿抗滑樁工程應(yīng)用［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2008，30（7）：710-713.

［13］徐愛民，柳群義，朱自強，等.層狀巖體邊坡抗滑樁加固效應(yīng)的數(shù)值分析［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，42（8）：2453-2458.

［14］任永忠，朱彥鵬，李海軍，等.考慮樁土相互作用的“品”字型抗滑樁計算方法［J］.四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2015，47（3）：29-36.

Numerical Simulation Research on Anti-slide Pile Influence on the Landslide Stability

WANG Zhong
（Sinoma Construction Engineering Company of Chengdu， Chengdu 610052， China）

Abstract:Using ABAQUS finite element software to model， a numerical simulation of the mechanism about the stability of the slope based on the finite element method， discuss the slope anti-slide pile with different location of the displacement， stress and change law of slope safety factor， the results show that the slope anti-slide pile in the early part of the stress， displacement along the pile respectively before and after the whole small slope， the pile from top to bottom all participate in the resistance of soil displacement；In the middle of the stress， displacement along the pile up from the basement development， at this time only pile first half to participate in the resistance of soil displacement； When the slope instability failure， at this time only pile deformation displacement of the upper 1/3 resistance， circular arc sliding surface and the slope has been anti-slide pile cut off； Without anti-slide pile， with the extension of slope stress time， the slope from non-slip trend appeared when the damage to the last row of circular slip surface.The safety factor of slope reinforcement before 2.28， anti-slide pile strengthening the safety coefficient is 2.49， after the pile can significantly improve the stability of the slope.

Key words:anti-slide pile； landslide； stability； safety factor

【中圖分類號】TU42

【文獻標識碼】A

【文章編號】1007-9386（2016）02-0057-04

【收稿日期】2016-01-13