滑坡穩定性及抗滑樁加固治理數值模擬研究

張國慶

（重慶鋼鐵集團設計院有限公司，重慶 400080）

0 引言

隨著經濟快速發展，各種工程的建設規模日益擴大，不可避免會出現高大邊坡。在自身重力、降雨、地震力等因素作用下，巖土體的抗剪強度可能小于剪切力，從而使剪切面的上下兩部分土體產生相對位移，即滑坡現象?；略谖覈植驾^普遍，破壞力極強，如果不能提前識別滑坡或選擇的治理方案不合理，容易造成房屋坍塌、交通堵塞等災害，嚴重的會導致巨大的經濟損失和人員傷亡?？够瑯毒哂谐休d能力強、抗滑效果好等優勢，在滑坡治理中應用廣泛。但設計人員在制定滑坡治理方案時，盲目參考其它項目圖紙，不重視滑坡計算[1]。因此，采用數值模擬技術進一步研究滑坡穩定性及抗滑樁加固治理措施，具有重要的工程價值。本文結合具體案例開展該課題的研究工作。

1 工程概況

該滑坡工程坡腳標高約1045m，坡頂標高約1078～1082m，相對高差約33.0～37.0m?；潞缶壿^陡，自然坡度約15°～35°。居民為了在邊坡坡面上修建房屋，對邊坡坡體進行了開挖，開挖后呈“階梯狀”。潛在滑動面沿泥巖頂，總面積約1.68×104m2，滑體厚度約15～25m，滑坡體積約26.6×104m3，主滑方向170°。在連續降雨天氣下，滑坡坡面產生局部變形，出現張拉裂縫。為了避免滑坡進一步發育，擬對其進行加固處理[2]。

通過現場鉆探、物探等手段，查明該滑坡的滑體由粉土、粉質黏土組成，層厚分別為10～16m、2～8m；滑坡前緣局部上覆雜填土，厚2.5～5.0m；滑坡滑床巖性是泥巖，處于干燥狀態，強度較高。該滑坡的剖面圖如圖1所示。

圖1 滑坡體剖面圖

滑坡所在區域屬溫帶半濕潤氣候，四季變化明顯，多年平均氣溫為11.5°C，相對濕度在65%～70%，多年平均雨量為550mm，且降雨以短時強降雨為主，主要集中在6～9月份。

2 滑坡成因分析

經現場調研，發現該滑坡的成因主要有以下幾個方面：

（1）滑坡前緣與后緣的相對高差較大，導致邊坡后緣陡峭、前緣開闊，且滑體上覆的粉土結構松散，孔隙比大，垂直節理較發育，為雨水入滲創造了條件；

（2）邊坡坡體中部及后部建設有房屋，增大了坡體的下滑荷載，同時房屋建設的擾動破壞了坡體內的應力平衡；

（3）連續降雨是誘發滑坡的直接因素。雨水深入坡體后一部分滯留在坡體淺表層，增大粉土的重度，從而增大坡體下滑力。另一部分雨水入滲補給滑坡地下水，加速了滑坡坡體蠕變。

3 降雨條件下滑坡穩定性分析

滑坡穩定性分析并不是簡單的二維平面問題，而是復雜的三維問題。本文利用有限元軟件ABAQUS建立三維計算模型，以便于更真實地模擬降雨對滑坡穩定性的影響，其主要建模步驟為：導入CAD圖紙建?！斎敫鲙r土層的物理力學參數→初始地應力→定義降雨分析步→定義荷載→定義邊界條件→劃分網格→滑坡穩定系數計算→導出計算結果。

3.1 建立計算模型

3.1.1 本構模型

假設滑坡巖土體為連續、均勻、各向同性的材料，在分析穩定性時選擇Drucker—Prager本構模型（簡稱D—P模型）。D—P模型同時考慮了中間主應力和靜水壓力對巖土體應力應變的影響[3]。

3.1.2 邊界條件

滑坡模型底部可認為是固定端，x、y、z三個方向均約束，且為不透水邊界；模型左右兩側、前后兩側分別約束y方向、x方向的位移；模型表面為自由邊界，并根據降雨情況設置降雨邊界條件。此外，滑坡孔隙水邊界條件結合地下水位確定。經過現場詳細勘察，該滑坡坡體內的地下水位是起伏的。結合其它研究成果，將起伏的地下水位簡化成一個斜面。

3.1.3 網格劃分

基于滑坡的平面圖和剖面圖建立滑坡三維模型，將CAD文件導入ABAQUS軟件，生成滑坡三維部件，并劃分地層。模型建好后，采用六面體單元劃分網格（C3D8RP單元），網格尺寸取1.0m，共劃分出2698個單元，3316個節點，如圖2所示。

圖2 滑坡三維計算模型

3.1.4 降雨分析步

根據當地降雨統計資料，共設置5種降雨工況（工況1～工況5），降雨強度分別為10mm/d、20mm/d、40mm/d、80mm/d、120mm/d，對應的雨量等級分別為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨，對應的降雨歷時均為72h?；聺B流計算共有四個分析步：初始步、荷載分析步（滑坡穩態滲流計算）、降雨分析步（滑坡瞬態滲流計算）、折減分析步（滑坡穩定性系數計算）。

3.2 滑坡穩定性計算

3.2.1 計算理論

滑坡穩定性計算采用強度折減法，即滑坡處于極限平衡狀態時，潛在滑動面上的剪應力（下滑力）等于滑帶土抗剪強度參數按某一系數折減后的抗剪強度，此時的強度折減系數就是滑坡穩定性系數Fs，計算公式如下[4]：

式中：

c、φ——滑坡土體折減前的抗剪強度參數；

cm、φm——滑坡土體折減后的抗剪強度參數。

強度折減法判斷滑坡是否失穩有三種判據：迭代計算是否收斂及位移突變點、塑性區是否貫通，本文采用第三種判據來計算滑坡的穩定性系數。

3.2.2 計算結果

經計算可知：滑坡體有效應力隨著降雨持續不斷減小，且降雨強度越大，其減小幅度越大。降雨入滲對滑坡坡腳的有效應力影響最大，不利于坡腳的穩定性。同時，滑坡坡腳處高程較低，距離地下水位近，孔隙水壓力較小。

在連續降雨天氣下，雨水在滑坡表面形成徑流，通過滑坡表面的裂縫滲入巖土體內部，使得潛在滑動面以上的滑體含水率提高，重度和下滑力增加，抗剪強度降低，從而導致滑坡經連續降雨后發生較大變形。工況1～工況5條件下的滑坡穩定性系數如圖3所示。

圖3 不同降雨工況下滑坡穩定性

由圖3可知：工況1～工況5所對應的滑坡穩定性系數分別為1.308、1.286、1.255、1.186、1.177。由此可知，降雨強度越大，降雨持續時間越長，滑坡的穩定性系數越小。

4 抗滑樁加固滑坡的設計原則及參數優化

4.1 滑坡方案設計原則

結合上文滑坡穩定性系數計算結果，擬定該滑坡的治理方案為：抗滑樁支擋+截、排水工程+前緣抗滑擋土墻，其關鍵是抗滑樁的設計。在設計抗滑樁時，應遵循兩大原則：

（1）抗滑樁位置要考慮施工可行性，不宜放置在施工機械難以進場或操作的路段；

（2）抗滑樁的樁長、樁間距等要在滿足滑坡穩定性的基礎上盡量優化，以保證治理方案的經濟性[5]。

4.2 滑坡推力計算及抗滑樁參數選取

4.2.1 滑坡推力計算

由《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013），在設計滑坡治理方案時，其穩定系數與邊坡類型和邊坡安全等級有關。以一級邊坡為例，永久邊坡在一般工況下的安全系數取1.35，永久邊坡在地震工況下的安全系數取1.15，臨時邊坡的安全系數取1.25。由于滑坡所處區域的抗震設防烈度為VI度，地震力對滑坡穩定性系數的影響可忽略不計。因此，計算滑坡推力不必考慮地震作用。

該滑坡共劃分了8個條塊，每個條塊的滑坡推力計算公式如下

式中：

pi、pi-1——分別為第i個和第i-1個條塊的滑坡推力；

ψi-1——滑坡推力傳遞系數；

r——滑坡推力安全系數；

Ti——第i個條塊的下滑力，kN/m；

Ri——第i個條塊的抗滑力，kN/m。

滑坡各個條塊的滑坡推力計算結果如表1所示。

表1 滑坡各個條塊的推力（單位：kN/m）

4.2.2 抗滑樁參數

抗滑樁是嵌入滑坡體內部發揮作用，依靠抗滑樁自身抗剪能力及嵌固層基巖、樁間土體所提供的被動土壓力來抵擋滑坡推力。

滑坡在坡腳布置一排抗滑樁來抵抗滑坡推力，初步擬定的設計參數為：樁長24m、樁間距5m，橫截面積為1.5m×2m，抗滑樁樁身材料為C30 鋼筋混凝土，重度取24kN/m3，彈性模量E=30GPa，泊松比0.2。在模擬計算之前，將抗滑樁設置為彈性體，初始平衡地應力，再計算不同樁長、樁間距下的滑坡穩定性系數，以優化滑坡治理方案。

根據相關研究成果，抗滑樁與滑坡巖土體之間的接觸關系會影響抗滑樁的加固效果。ABAQUS軟件中內置了兩種接觸屬性來模擬樁-土間接觸，其中Node to Surface接觸的“穿透現象”明顯，計算精度較低，故計算滑坡穩定性系數時建議采用Surface to Surface接觸關系[6]。

4.3 抗滑樁治理邊坡結果分析

4.3.1 樁間距對滑坡穩定性的影響

樁間距對滑坡穩定性的影響主要體現在其“土拱效應”，且直接影響滑坡治理方案的經濟性。利用ABAQUS軟件計算樁間距為5m、6m、7m、8m、9m時，滑坡在非天然工況I下的總位移和穩定性系數（見圖4所示）。

圖4 不同樁間距下滑坡穩定系數

當抗滑樁樁間距從5m增加至7m，樁后土體位移僅增加了5.6cm。說明抗滑樁引起的“土拱效應”逐漸開始發揮，抗滑樁能有效地抵擋滑坡推力；樁間距從7m增加至9m，樁后土體位移變化幅度大，增加了13.9cm，說明“土拱效應”減弱，抗滑樁對滑坡的加固效果也減弱。此外，在抗滑樁樁間距變化的過程中，樁前位移無明顯變化。

圖4計算結果表明：隨著抗滑樁間距的增加，滑坡的穩定系數不斷降低，但降低速率逐漸變緩。當抗滑樁間距從5m增加至9m，滑坡穩定系數分別降低了0.09、0.08、0.05、0.03。當抗滑樁樁間距≤7m，滑坡穩定系數呈驟降趨勢；當抗滑樁樁間距超過7m，滑坡穩定系數變化不明顯，抗滑樁的加固效果差。綜上，建議該滑坡的抗滑樁間距不超過7m。

4.3.2 樁長對滑坡穩定性的影響

抗滑樁樁長也會直接影響滑坡治理工程的造價。為了提高滑坡治理方案的經濟性，利用ABAQUS軟件計算抗滑樁樁長為16m、18m、20m、22m、24m時，滑坡在非天然工況I下穩定性系數，計算結果表明：在其它設計參數不變的條件下，滑坡穩定系數隨樁長的增加而增加，當抗滑樁樁長從16m 增加至24m，滑坡穩定系數分別提高了0.022、0.020、0.018、0.007。說明抗滑樁樁長＞22m后，滑坡穩定系數變化不明顯，在滑坡治理設計時不可盲目增加樁長。

5 結束語

本文依托某滑坡工程，利用ABAQUS軟件建立三維模型，分析滑坡在連續降雨條件及抗滑樁加固前后的穩定性，得到以下結論：

（1）有限元法模擬滑坡工程的關鍵是設置本構模型、邊界條件、網格劃分、設置降雨分析步等；

（2）連續降雨會增大滑坡下滑力，降低土體的抗剪強度，誘發滑坡失穩，且降雨強度越大，降雨持續時間越長，滑坡穩定性越??；

（3）抗滑樁加固滑坡設計時要同時考慮施工可行性和經濟性，并準確計算滑坡推力；

（4）在抗滑樁加固滑坡后，其穩定性明顯提升，且樁間距越小、樁長越大，穩定性越好。研究成果可為類似的滑坡工程治理提供理論指導。