抗滑樁組合支護(hù)形式的數(shù)值模擬評價

常偉世，王國盛，趙文亮

(中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200)

0 前言

我國是一個地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，每年數(shù)以百計(jì)的滑坡災(zāi)害發(fā)生，對此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究，張修杰等[1]對滑坡失穩(wěn)的原因進(jìn)行了分析，并認(rèn)為只有對滑坡失穩(wěn)的原因分析清楚了，采取的治理措施才更加符合實(shí)際。陳二松等[2]對混凝土抗滑樁進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：對于不同型號砼的抗滑樁，治理后滑坡的安全系數(shù)不同。邢軍等[3]對隧道出口的滑坡進(jìn)行了治理，通過數(shù)值模擬研究可知：滑坡的治理應(yīng)當(dāng)結(jié)合隧道洞口的地質(zhì)條件，不可以盲目的進(jìn)行放坡和支護(hù)[4]。肖猛等對滑坡在不同支護(hù)條件下的變形和破壞過程進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：抗滑樁+錨桿的支護(hù)形式更利于滑坡的穩(wěn)定性。趙敏等[5]對微型群樁的支護(hù)體系進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：微型樁治理滑坡時，樁身易發(fā)生剪力突變[6]。胡煥校等對短小錨桿治理邊坡進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：短小錨桿在大面積小體積的滑坡治理中應(yīng)用效果更佳。楊扶銀等[7]結(jié)合滑坡特征選擇了預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，并對錨索進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：框架錨索的增穩(wěn)效果更佳。劉明發(fā)[8]對公路巖土滑坡進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：滑坡治理過程中應(yīng)當(dāng)注意水害治理、裂縫注漿和構(gòu)建防護(hù)體系，以上三方面對于滑坡治理有重要作用。鄒康[9]認(rèn)為治理滑坡前應(yīng)當(dāng)注意滑坡的誘發(fā)因素，結(jié)合誘發(fā)因素設(shè)計(jì)的治理方案才符合實(shí)際。鄧勝等[10]結(jié)合滑坡類型，提出了抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索的治理措施，經(jīng)過實(shí)踐可知：治理措施還須增加排水措施，以此達(dá)到治理滑坡的目的。

然而以上的研究均從滑坡的安全性角度進(jìn)行了分析，沒有從支護(hù)措施的角度進(jìn)行分析，針對此方面，本文結(jié)合一實(shí)際滑坡工程，從多角度分析支護(hù)措施工作的有效性。

1 工程概況

該邊坡位于四川省巴中市，邊坡從上自下主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖組成(圖1)，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)

圖1 邊坡平面圖 (單位：m)

經(jīng)地質(zhì)勘察可知滑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

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個條塊，計(jì)算得到的滑坡推力為3 012.7 kN·m-1。結(jié)合此數(shù)值，對坡體進(jìn)行抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)措施，坡面進(jìn)行噴砼處理。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

因MIDAS能夠較好的還原滑坡現(xiàn)狀，選擇MIDAS進(jìn)行滑坡的數(shù)值研究，本文主要研究的是支護(hù)作用下的滑坡穩(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，噴砼采用的是2D板單元，砼為C20材料，厚度為0.6 m，截面積為0.26 m2，扭轉(zhuǎn)常量IX為8.6×10-3m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)3.5×10-1m；抗滑樁采用梁單元進(jìn)行模擬，滿足彈性假定，抗滑樁采用1.5 m直徑的圓樁體，截面積為1.76 m2，扭轉(zhuǎn)常量IX為4.8×10-1m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)7.6×10-1m，截面慣性矩(IY和IZ)為2.3×10-1m4；錨桿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9 m，截面積為4.7×10-4m2，扭轉(zhuǎn)常量IX為3.7×10-8m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)1.4×10-2m，截面慣性矩(IY和IZ)為1.8×10-8m4。

圖2 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)圖

2.2 水平位移和受力

數(shù)值模擬計(jì)算至滑坡穩(wěn)定時結(jié)束，滑坡的位移如圖3所示。

圖3 坡體水平位移

由圖3(a)所示，滑坡的整體位移主要發(fā)生于風(fēng)化土和風(fēng)化巖區(qū)域，軟巖區(qū)域水平位移幾乎為0，84%風(fēng)化土區(qū)域水平位移為4.1 mm，53%風(fēng)化巖區(qū)域水平位移為3.2 mm，坡腳處發(fā)生了8.7 mm的水平位移，以上的水平位移均不超過20 mm，說明支護(hù)措施情況下滑坡的水平位移均控制在合理的范圍內(nèi)。同時值得注意的是坡腳處發(fā)生了位移集中現(xiàn)象，后期若進(jìn)行位移監(jiān)測，坡腳處是監(jiān)測的重點(diǎn)。

為了進(jìn)一步對水平位移進(jìn)行分析，選擇滑坡中間截面進(jìn)行水平位移分析，如圖3(b)所示，風(fēng)化土區(qū)域幾乎均發(fā)生了超過3 mm的水平位移，風(fēng)化巖區(qū)域接近一半水平位移超過2.5 mm，軟巖區(qū)域幾乎不發(fā)生位移，風(fēng)化巖發(fā)生的水平位移較小的原因是，風(fēng)化巖的彈性模量和體積模量均小于風(fēng)化土。坡腳處發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與坡形有較大的關(guān)系，因此處坡形出現(xiàn)了較大的轉(zhuǎn)折，所以在放坡的過程中，建議將坡腳進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆啪彛赃_(dá)到防止位移集中，而出現(xiàn)剪出口的危害。

由圖3可知，滑坡體的風(fēng)化土水平位移最大，風(fēng)化巖區(qū)域其次，軟巖區(qū)域幾乎不發(fā)生水平位移。風(fēng)化土區(qū)域水平位移均不超過5 mm，坡腳處的最大水平位移也不超過20 mm，從位移角度分析可知，支護(hù)后的滑坡體水平位移控制在工程允許的范圍內(nèi)。

數(shù)值模擬滑坡體的剪切應(yīng)力區(qū)如圖4所示。

圖4 滑坡的剪切應(yīng)力云圖

由圖4可知，滑坡的剪切應(yīng)力并沒有貫通，說明潛在滑動面并沒有生成，滑動面沒有生成說明了抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)措施，達(dá)到了阻止滑坡進(jìn)一步滑動的目的。支護(hù)完成后滑坡的整體安全系數(shù)為1.41，此安全系數(shù)是滿足工程要求的。

2.3 數(shù)值模擬總結(jié)

滑坡體的水平位移主要發(fā)生于風(fēng)化土區(qū)域，風(fēng)化巖區(qū)域其次，軟巖區(qū)域幾乎不發(fā)生水平位移，風(fēng)化土區(qū)域的位移不超過20 mm，說明了支護(hù)完成后滑坡體的位移是控制在工程允許的范圍內(nèi)，不會對工程造成安全隱患。

滑坡體的剪切應(yīng)力區(qū)域并沒有貫通，說明了滑動面并沒有生成，支護(hù)后滑坡體的安全系數(shù)滿足工程要求，說明了抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)形式是達(dá)到了阻止滑坡進(jìn)一步滑動的目的。

3 結(jié)語

本文結(jié)合一實(shí)際滑坡工程，采用抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)方式，并通過數(shù)值模擬對滑坡體的水平位移、剪切應(yīng)力和安全系數(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如下：

(1)滑坡體的水平位移主要發(fā)生于風(fēng)

化土區(qū)域，最大水平位移為4.1 mm，坡腳處發(fā)生了位移集中現(xiàn)象，最大的水平位移為8.7 mm，以上的水平位移均不超過20 mm，說明了支護(hù)后滑體在水平位移是滿足工程要求的；另一個方面，若后期開展位移監(jiān)測，那么坡腳處應(yīng)當(dāng)是位移監(jiān)測的重點(diǎn)。

(2)支護(hù)后滑坡體的剪應(yīng)力區(qū)域并沒有貫通，說明抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)方式是達(dá)到了防止滑坡進(jìn)一步發(fā)生破壞的目的，安全系數(shù)為1.41，此安全系數(shù)超過1.20，說明以上的組合支護(hù)方式在治理滑坡方面是合理的。

(3)本文沒有從塑性區(qū)域研究滑坡體的破壞，此方面的研究有待進(jìn)一步深入。