含軟弱夾層的某坡積土邊坡抗滑樁加固可行性分析

王 毅，沈芝瑩，張 誠(chéng)

( 1.淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 淮安 223400；2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005； 3.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223001 )

坡積土是野外山地一種常見的巖體碎屑物質(zhì)，在自然作用下不斷運(yùn)移堆積在穩(wěn)定巖層上部而形成的結(jié)構(gòu)體。因此，坡積土的物理性質(zhì)主要有結(jié)構(gòu)松散，組成巖屑粒徑大小不一，滲透性強(qiáng)，由于坡積土抗剪強(qiáng)度較低，在外界作用下極易發(fā)生滑坡災(zāi)害，有必要采取加固措施預(yù)防坡積土邊坡垮塌[1-3]。

目前，傳統(tǒng)的極限平衡法僅能得到條塊的受力情況和一個(gè)穩(wěn)定安全系數(shù)[4]，而巖體材料多為彈塑性單元體，極易發(fā)生塑性變形和破壞，但傳統(tǒng)極限平衡法無(wú)法分析計(jì)算各種不利工況下的邊坡彈塑性變形[5-6]，因此，基于連續(xù)介質(zhì)理論的數(shù)值分析法(有限元法)應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)值分析法不僅可以計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，還可以分析位移變形、應(yīng)力應(yīng)變和塑性破壞情況[7-9]。

1 計(jì)算方法和計(jì)算模型建立

采用有限元強(qiáng)度折減法分析邊坡穩(wěn)定，主要是通過(guò)折減巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，一般認(rèn)為抗剪強(qiáng)度參數(shù)涉及黏聚力和內(nèi)摩擦角，不斷折減循環(huán)計(jì)算，直到塑性區(qū)貫通了邊坡內(nèi)部巖體，將此時(shí)的折減系數(shù)定義為邊坡安全系數(shù)[10-13]。

本次涉水岸坡加固的數(shù)值計(jì)算分析選取一典型案例進(jìn)行分析，勘察報(bào)告顯示，該岸坡表層覆蓋了厚度大約5 m的坡積土，最底部是中風(fēng)化基巖(砂巖)，而基巖與坡積土中間夾雜著1層厚度1～2m的軟弱夾層，可視為滑帶土，巖體抗滑強(qiáng)度參數(shù)相對(duì)較低，對(duì)整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，該邊坡整體穩(wěn)定性較低，應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施。首先，對(duì)工程研究對(duì)象進(jìn)行模型選取和建立，選取一典型橫斷面進(jìn)行分析，邊坡坡角度38°，而邊坡坡腳以上高12 m，是典型的坡積土陡坡，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告情況，建立了邊坡內(nèi)部的軟弱夾層，其走向與邊坡走向基本一致，這不利于邊坡的整體穩(wěn)定，因此，建議在潛在滑坡體的中前端位置打抗滑樁進(jìn)行邊坡加固。同時(shí)為了克服有限元分析計(jì)算時(shí)的邊界效應(yīng)，高度向下延長(zhǎng)深度8 m，為20 m，長(zhǎng)30 m，最終建立的分析模型如圖1所示，模型考慮了天然地下水的影響。

圖1 岸坡幾何尺寸、邊界條件及有限元網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，將抗滑樁視為一種彈性剛體構(gòu)件，通過(guò)賦予抗滑樁的強(qiáng)度參數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。本次加固采用的抗滑樁軸向剛度1×106kN，抗彎剛度EI為1.8×105kN·m2，抗滑樁為圓柱形，其直徑d為1.5 m，縱向間距5 m。根據(jù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告中的計(jì)算結(jié)果，該抗滑樁樁長(zhǎng)6 m，其中打入軟弱夾層2 m，長(zhǎng)度占總樁長(zhǎng)的1/3，有利于平衡工程投資和邊坡工程足夠穩(wěn)定。其余的巖體力學(xué)計(jì)算參數(shù)參考了該邊坡的地質(zhì)勘查報(bào)告，見表1。

表1 邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 邊坡變形分析

首先，導(dǎo)出了該邊坡工程加固前后巖體位移變形趨勢(shì)圖，見圖2所示，(a)圖為天然狀態(tài)，(b)圖為抗滑樁激活后的趨勢(shì)圖。分析可知，在邊坡加固前，潛在滑坡體主要沿著軟弱夾帶緩慢蠕動(dòng)，由于滑帶土走向與邊坡順層走向一致，更加加劇了這一現(xiàn)象，其余部位主要表現(xiàn)為重力作用的沉降，但是不明顯。而當(dāng)抗滑樁激活后，可以明顯看出邊坡位移變形得到有效控制(箭頭長(zhǎng)度越長(zhǎng)表示位移越大)，尤其是潛在滑坡體前端的位移變得非常小，抗滑樁有效地遏制住了滑坡體的進(jìn)一步發(fā)展，將下滑力部分傳入基巖，從而抵抗變形。

滑坡滑動(dòng)主要是因?yàn)閹r土體的抗剪強(qiáng)度不足以抵抗滑坡的下滑力，因此，還需分析抗滑樁加固前后邊坡巖體的剪應(yīng)變分布情況，有利于了解內(nèi)部應(yīng)變趨勢(shì)，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，抗滑樁加固前該邊坡軟弱夾層內(nèi)剪應(yīng)變集中分布，最大為91.1×10-3%，主要分布在潛在滑坡體的中部，前部也有分布，幾乎貫通，而當(dāng)激活抗滑樁后，該邊坡軟弱夾層內(nèi)的剪應(yīng)變得到及時(shí)控制，抗滑樁前端的剪應(yīng)變幾乎消失，抗滑樁后部的剪應(yīng)變也大大減小，最大值也僅有4.36×10-3%，位于軟弱夾層頂部出漏處，說(shuō)明此時(shí)潛在滑坡體后緣有出現(xiàn)細(xì)小裂隙的可能。

圖2 抗滑樁激活前后岸坡巖體位移變形趨勢(shì)

圖3 抗滑樁激活前后岸坡巖體剪應(yīng)變分布云圖

圖4 抗滑樁激活前后岸坡極限變形狀態(tài)

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算了該邊坡加固前后的安全系數(shù)以及極限破壞時(shí)岸坡的變形狀態(tài)，如圖4所示。分析可知：抗滑樁加固前該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅有1.13，穩(wěn)定性較差，遇到極端不利情況時(shí)表層坡積土可將沿著軟弱夾層順層滑動(dòng)，從坡腳位置滑出，并形成明顯的剪出口，發(fā)生整體垮塌，造成較大的安全事故。而當(dāng)采用抗滑樁加固后，該邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)增至1.75，提高了55%，大大提高了邊坡的整體穩(wěn)定性，而且此時(shí)剪出口消失，邊坡的破壞模式也從整體滑動(dòng)變?yōu)橹泻蟛康某两底冃纹茐?，有效的控制了滑坡的大面積垮塌，減小了地質(zhì)災(zāi)害的威脅。

2.3 抗滑樁受力變形分析

由于本次數(shù)值分析計(jì)算將抗滑樁視為一種彈性剛體構(gòu)件，并賦予了相關(guān)強(qiáng)度參數(shù)，因此有必要分析抗滑樁的變形和受力情況。結(jié)果如圖5所示，變形討論的是樁體的整體位移，受力給出了樁體軸力、剪力和彎矩。分析樁體位移可知，抗滑樁從下到上位移逐漸增加，最大位移變形位于樁體最上部，但是數(shù)值也非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。而抗滑樁受到的軸力、剪力和彎矩的極值均位于同一部位，即4 m深度的地方，剛好為樁體插入基巖的位置，軸力、剪力和彎矩的最大值分別為-607.11×10-3kN、-790.44×10-3kN、365.22×10-3kN·m，均為超過(guò)設(shè)計(jì)允許值，說(shuō)明設(shè)計(jì)的抗滑樁相關(guān)參數(shù)是合理的。此外，軸力為負(fù)值，說(shuō)明狀態(tài)的整個(gè)受力狀態(tài)主要表現(xiàn)為受壓，即坡體的下滑力通過(guò)抗滑樁垂直向下傳遞給基巖，整個(gè)狀態(tài)更加有利于坡體的整體穩(wěn)定。

圖5 抗滑樁加固后樁體受力變形

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以某含有軟弱夾層的坡積土邊坡為例，采用有限元法和強(qiáng)度折減法計(jì)算了該邊坡采用抗滑樁加固前后的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和穩(wěn)定性大小，通過(guò)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證抗滑樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相關(guān)結(jié)論如下：

(1)采用抗滑樁加固可以有效地遏制住了滑坡體的進(jìn)一步變形，將下滑力部分傳入基巖，從而抵抗位移變形，而且邊坡軟弱夾層內(nèi)的剪應(yīng)變也可以得到及時(shí)控制，塑性區(qū)不再貫通軟弱夾層。

(2)采用抗滑樁加固后，該邊坡穩(wěn)定系數(shù)顯著提高，邊坡的整體穩(wěn)定性良好，邊坡的破壞模式從整體滑動(dòng)變?yōu)橹泻蟛康木植砍两底冃纹茐?，遏制了滑坡潛在的大面積垮塌，減小了地質(zhì)災(zāi)害的威脅。

(3)抗滑樁樁體的受力和變形均在設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi)，說(shuō)明抗滑樁設(shè)計(jì)采用的相關(guān)力學(xué)參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)是合理可行的。