滑坡支護(hù)措施位移的數(shù)值模擬研究

唐英權(quán)

(東莞市正源工程質(zhì)量檢測有限公司，廣東 東莞 523012)

0 前 言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷擴(kuò)大，越來越多的邊坡工程需要治理。對此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究，王立猛對不同降雨類型下滑坡支護(hù)工程進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：減弱型降雨模式最不利于滑坡的穩(wěn)定性，此工況下的樁截面尺寸應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大[1]。黃河對廣東某滑坡進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：滑坡治理前應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注滑坡所在地的地貌、地質(zhì)條件、變形破壞特點(diǎn)，針對以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)的滑坡治理措施才最符合實(shí)際[2]。黃道鋒等針對滑坡支護(hù)設(shè)計(jì)理論，提出了微型樁群支護(hù)體系，此體系能夠改善抗滑樁治理滑坡的不足[3]。郭勇等利用三維有限元方法對水庫邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明：計(jì)算出邊坡的安全系數(shù)是滿足工程實(shí)際的[4]。王壯等利用FLAC對不同支護(hù)結(jié)構(gòu)下的滑坡工程進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：連續(xù)樁鍵結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配最合理，滑坡整體的穩(wěn)定性最高[5]。左虹俊等以某滑坡工程為例，提出了在滑坡治理工程中應(yīng)用柔性支護(hù)技術(shù)，并通過數(shù)值模擬表明：柔性支護(hù)技術(shù)在膨脹土滑坡處治中效果更佳[6]。毛世雄認(rèn)為滑坡治理前，地質(zhì)勘察工作非常必要，只有理清滑坡類型后治理措施和監(jiān)測方法才具有可行性[7]。李楠等利用大型振動臺，開展了物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)結(jié)果表明：微型樁群支護(hù)結(jié)構(gòu)對地震波有一定的阻滯作用[8]。劉少波等利用MIDAS數(shù)值模擬對滑坡支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠顯著提高滑坡的安全性[9]。宋濤研究了抗滑樁+錨索格構(gòu)梁+地表注漿組合加固方法，研究結(jié)果表明：以上聯(lián)合加固措施較單一的支護(hù)方式明顯提高了滑坡支護(hù)的安全系數(shù)[10]。

然而以上的研究均從邊坡的安全性角度進(jìn)行了分析，沒有從支護(hù)措施的位移角度進(jìn)行分析，針對此方面，文章結(jié)合一實(shí)際滑坡工程，從位移角度分析支護(hù)措施工作的有效性。

1 工程概況

該邊坡位于廣東省內(nèi)，邊坡從上自下主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖組成，邊坡的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)地質(zhì)勘察可知邊坡的潛在滑動面如圖1所示，利用瑞點(diǎn)條分法對剩余下滑力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 自然工況下的剩余下滑力

圖1 邊坡平面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察的潛在滑動面，結(jié)合表1的相關(guān)數(shù)據(jù)，將潛在滑動面劃分成11個(gè)條塊，計(jì)算得到的滑坡推力為2878.7 kN·m-1。

結(jié)合此數(shù)值，計(jì)算的抗滑樁寬長度×寬度×高度為2m×3m×30m，在坡體進(jìn)行土釘?shù)牟贾?，在坡面進(jìn)行C20噴混凝土。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

因MIDAS能夠較好的還原邊坡現(xiàn)狀，選擇MIDAS進(jìn)行邊坡的數(shù)值研究，文章主要研究的是支護(hù)作用下的邊坡穩(wěn)定性，因此暫不考慮土拱效應(yīng)的影響[11-14]。

支護(hù)措施如圖2所示，噴混凝土采用的是2D板單元，混凝土為C20材料，厚度為0.5m，截面積為0.25m2，扭轉(zhuǎn)常量IX為8.7×10-3m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)3.4×10-1m，截面慣性矩(IY和IZ)為5.2×10-3m4，有效剪切面積(AY和AZ)為2.1×10-1m2，剪切應(yīng)力系數(shù)(GY和GZ)為6m-2。

抗滑樁采用梁單元進(jìn)行模擬，滿足彈性假定，抗滑樁采用1.5m直徑的圓樁體，截面積為1.77m2，扭轉(zhuǎn)常量IX為4.9×10-1m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)7.5×10-1m，截面慣性矩(IY和IZ)為2.4×10-1m4，有效剪切面積(AY和AZ)為1.6m2，剪切應(yīng)力系數(shù)(GY和GZ)為7.5×10-1m-2。

土釘采用的是植入式梁單元，材料為鋼，滿足彈性假定，土釘長度為9m，截面積為4.9×10-4m2，扭轉(zhuǎn)常量IX為3.8×10-8m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)1.3×10-2m，截面慣性矩(IY和IZ)為1.9×10-8m4，有效剪切面積(AY和AZ)為4.4×10-4m2，剪切應(yīng)力系數(shù)(GY和GZ)為2.7×10-3m-2。

圖2 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

2.2 水平和豎向位移

數(shù)值模擬計(jì)算至滑坡穩(wěn)定時(shí)結(jié)束，坡面(噴混凝土)的位移如圖3所示。

(a)坡面水平位移(單位：mm)

(b)坡面豎向位移(單位：mm)

由圖3(a)可知，自坡頂?shù)狡履_水平位移逐漸增大，坡頂處水平位移最大約為2.4mm，坡底處水平位移最大約為4.3mm，超過3mm的位移約占坡面水平位移的21%，最大位移均不超過10mm，因?yàn)榭烧J(rèn)為坡面的水平位移控制在工程允許的范圍內(nèi)，水平位移不會對滑坡造成安全隱患。

由圖3(b)可知，自坡頂?shù)狡履_豎向位移逐漸增大，坡頂處豎向位移最大約為-1.2mm(方向豎直向上)，原因是坡體發(fā)生位移后，上方坡面發(fā)生隆起；坡底處水平位移最大約為3.2mm，超過3mm的位移約占坡面豎向位移的16%，最大位移均不超過10mm，因?yàn)榭烧J(rèn)為坡面的豎向位移控制在工程允許的范圍內(nèi)，豎向位移不會對滑坡造成安全隱患。

由圖3可知，坡面的水平位移>豎向位移，但是兩者位移均控制在工程允許的范圍內(nèi)，不會對滑坡造成安全隱患。同時(shí)由以上位移可知，后期若須進(jìn)行位移監(jiān)測，那么水平位移是監(jiān)測的重點(diǎn)[11-12]。

抗滑樁的水平位移自上而下數(shù)值依次減小，原因是抗滑樁受到滑坡推力作用下，上部最易發(fā)生水平位移，由于樁體埋入巖土體深度越深，其位移更易被限制，最終導(dǎo)致抗滑樁位移逐漸減小，抗滑樁1號-5號水平位移比較接近，差值不大，最大水平位移約為6mm，此位移達(dá)不到10mm，說明抗滑樁的水平位移控制在合理的范圍內(nèi)，不會對支護(hù)工程造成安全隱患。

抗滑樁的豎向位移自上而下數(shù)值依次增大，原因是抗滑樁受到滑坡推力作用下，下部最易發(fā)生累計(jì)的豎向位移，因?yàn)闃扼w埋入巖土體深度越深，其位移更易被累加，最終導(dǎo)致抗滑樁豎向位移逐漸增大，抗滑樁1號-5號豎向位移比較接近，差值不大，最大水平位移約為5mm，此位移達(dá)不到10mm，說明抗滑樁的豎向位移控制在合理的范圍內(nèi)，不會對支護(hù)工程造成安全隱患。

抗滑樁的水平位移呈現(xiàn)自上而下逐漸減小的趨勢，豎向位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但是水位位移和豎向位移數(shù)值均≤過10mm，說明了抗滑樁的位移均控制在了工程允許的范圍內(nèi)，不會對支護(hù)工程造成安全隱患。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合一實(shí)際滑坡工程，采用抗滑樁+土釘+噴混凝土的組合支護(hù)方式，并通過數(shù)值模擬對坡面和抗滑樁的位移進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下：

1)坡面的水平位移和豎向位移最大值分別為4.3mm和3.2mm，以上的數(shù)值均≤10mm，說明坡面的位移控制在合理的范圍內(nèi)，從以上數(shù)值可認(rèn)為后期監(jiān)測重點(diǎn)在于坡面的水平位移。

2)抗滑樁的水平位移和豎向位移數(shù)值相近，水平位移從上自下逐漸減小，豎向位移逐漸增大，但數(shù)值均≤10mm，說明抗滑樁的位移控制在工程允許的范圍內(nèi)。

3)文章主要從位移角度對支護(hù)措施進(jìn)行了分析，缺少受力的分析，此方面的分析有待進(jìn)一步深入。