某滑坡治理方案的三維數值模擬分析

宋民崇，余云燕，郭　陽，袁國柱

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

某滑坡治理方案的三維數值模擬分析

宋民崇1，余云燕2，郭陽1，袁國柱1

（1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

結合某滑坡實際工程背景，運用軟件建立簡化三維模型，分析其穩(wěn)定性，定量的分析滑坡體總體位移云圖和在主滑方向（即Y方向和Z方向）的位移云圖。在剪應變增量云圖中找出滑動面的位置，從而為抗滑支擋結構物的合理布設提供范圍，模擬預應力錨索框架和預應力錨索抗滑樁加固整治滑坡，并分析、評價治理效果。

滑坡；穩(wěn)定性分析；FLAC3D；數值模擬

0　引言

一般對滑坡治理措施的選取都是通過定性的分析[1]，從工程的適宜性，技術的可行性，投資收效比，施工難易程度等幾個方面進行綜合分析，選取治理方案，但這樣的分析方法沒有定量的比較，而數值模擬分析恰好具備定量分析這一功能，在進行分析時，可以應用FLAC3D簡化模型來討論，選取滑坡體典型剖面，建立簡化三維模型，首先分析簡化模型在自然條件下的穩(wěn)定性，分析其位移云圖，找出滑坡體的滑動面。在簡化三維模型上布設抗滑支擋結構物，從而選出較為合理的治理措施。簡化模型研究治理方案，不但能簡化工作量，同時還可以排除地形因素的干擾，易于治理方案的橫向比較。

1　工程背景

某坡體位于甘肅隴南武都地區(qū)，地處西南山地，地形特殊而復雜。本地區(qū)總體地勢西北高，東南低，海拔高程700～2 500 m，相對高差為1 000～1 500m。境內山高谷深，峰巒起伏，群山環(huán)繞，溝壑縱橫，山勢陡峻，地層破碎，地質構造較為復雜地震活動頻繁且強度大，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國滑坡等地質災害最為發(fā)育的地區(qū)之一，見圖1。

2　計算模型的建立

根據地質資料建立三維簡化計算模型，邊坡前緣的腳點為坐標原點 (0,0,0)，X方向沿著坡腳方向向右為正，Y方向以滑動向前為負，Z向上為正，向下為負，高度為150 m，邊坡長150 m，寬150 m，計算模型選取滑坡體典型剖面，將其拖拉20 m，形成簡化三維模型，初始地應力為自重地應力場。邊界條件為：X、Y、Z方向為固定約束，滑坡體主要由碎石土組成，滑床主要由板巖構成。計算參數選取根據勘測資料按照表1取值，計算工況為天然狀態(tài)。

圖1　某滑坡工程地質縱斷面圖

在計算巖土體的剪切模量和體積模量時，應根據式（1）計算：

簡化模型見圖2。

3　數值模擬結果分析

3.1穩(wěn)定性分析

本文應用 FLAV3D三維仿真軟件計算，TECPLOT圖形處理軟件出圖，下面對計算結果進行分析。依據表1中的滑坡體參數對簡化三維模型進行穩(wěn)定性分析，得出滑坡的安全系數為0.99，并整理出一系列位移云圖，以便與治理后位移云圖進行對比，評價治理效果[2]。

表1　巖土體力學參數

圖2　簡化模型示意圖

圖3　簡化模型總體位移云圖

圖4　總體位移中線剖面位移云圖

圖5　滑坡體Y方向總體位移云圖

圖6　滑坡體Y方向中線剖面位移云圖

圖7　滑坡體Z方向位移云圖

圖8　滑坡體Z方向中線剖面位移云圖

圖9和圖10分別為剪應變增量云圖和中線剖面剪應變增量云圖，由這兩個云圖可以看出滑坡體的滑動面的位置，綜合前面的位移云圖，可以為治理措施位置的選取提供依據[3]，其中最為主要的一點就是給出滑坡體滑動面的位置，從而為抗滑支擋結構物的布設提供可選范圍。

圖9　剪應變增量云圖

圖10　中線剖面剪應變增量云圖

3.2預應力錨索框架的數值模擬

預應力錨索框架這種結構形式主要是利用了預應力錨索、框架梁作為承力和傳力構件的特性[4]，即通過框架梁承受巨大的錨索預應力并且將其傳遞到被錨固的地層中，從而起到對坡體加固的作用。

在簡化三維模型中，根據滑動面的具體位置，及相應的規(guī)范，在整個坡面20 m范圍內，布設兩組錨索框架，框架橫梁長8 m，上排橫梁與下排橫梁之間的距離為4 m,豎梁長8 m，一組框架內的左右兩根豎梁之間的距離為4 m。橫梁與豎梁的界面尺寸均為0.7 m×0.7 m，采用C25混凝土澆筑，彈性模量取3E10Pa，泊松比取0.2，預應力錨索的錨固角為25°，鋼筋采用6Φ15.24高強度低松弛預應力鋼絞線制作，上排預應力錨索自由段為20 m，下排為18 m，錨固段長度取10 m，施加預應力為720 kN。

圖11為框架錨索布設位置剖面示意圖，圖12為框架錨索布設位置三維示意圖及相應的位移云圖，圖13為框架錨索應力云圖。由圖11和圖12可以看出框架錨索的布設位置。

圖11　框架錨索布設位置剖面示意圖及位移云圖

圖12　框架錨索布設位置三維示意圖及位移云圖

圖13　框架錨索應力云圖

圖14和圖15分別為治理后總體位移云圖和治理后中線剖面總體位移云圖。由這兩張圖可以看出，經預應力錨索框架加固后，滑坡體的最大位移為0.02 cm，最大位移集中在坡面預應力錨索框架布設處，并向四周逐漸減小。與未治理時滑坡位移比較可以看出，滑坡體最大位移由19 cm降至0.02 cm，治理效果十分顯著。

圖14　治理后總體位移云圖

圖15　治理后中線剖面總體位移云圖

3.3預應力錨索抗滑樁的數值模擬

預應力錨索抗滑樁是一種采用錨索和樁共同受力來抵抗滑坡推力的復合型受力結構[5]。它能變一般抗滑樁的被動抗滑結構為主動抗滑結構，改變懸臂式抗滑樁不合理的受力狀態(tài)，是一種全新而有力的新型抗滑結構，在普通抗滑樁頂部設置一排或多排錨索并施加預應力，受力形式類似于上端鉸支和下端彈性固結的梁式受力結構，比普通抗滑樁的懸臂梁受力形式更加合理，在實際工程中得到了推廣應用。

根據實際的模型和相應的設計規(guī)范，錨索自由段取20 m，錨索錨固段取10 m，錨固角取25°，鋼筋采用6Φ15.24高強度低松弛預應力鋼絞線制作，施加預應力為720 kN，根據滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范中的規(guī)定，抗滑樁間距(中對中)宜為5～10 m，抗滑樁的嵌固段應嵌入滑床中，約為樁長的1/3～2/5，抗滑樁的截面形狀應以矩形為主，截面寬度一般為1.5～2.5 m，截面長度一般為2.0～4.0 m，因此本文樁截面尺寸取1.6 m×2 m，樁長取26 m(嵌入滑床9 m)，樁間距取6 m，采用C25混凝土澆筑，樁體材料彈性模量取3E10 Pa，泊松比為0.2，樁位的選擇根據滑坡推力及實際模型確定。

圖16為預應力錨索抗滑樁布設位置剖面示意圖及位移云圖，圖17為預應力錨索抗滑樁布設位置三維示意圖及位移云圖，由圖16和圖17可以看到預應力錨索抗滑樁布設的平面位置和三維空間位置。

圖16　預應力錨索抗滑樁布設位置剖面示意圖及位移云圖

圖17　預應力錨索抗滑樁布設位置三維示意圖及位移云圖

圖18和圖19分別為預應力錨索抗滑樁平面應力云圖和預應力錨索抗滑樁三維應力云圖，由這兩張圖可以看出預應力錨索抗滑樁各部分發(fā)揮的作用及受力的狀況。

圖18　預應力錨索抗滑樁應力平面云圖

圖19　預應力錨索抗滑樁三維應力云圖

圖20和圖21分別為治理后總體位移云圖和治理后總體位移中線剖面云圖，由圖20和圖21可以看出，滑坡體經預應力錨索抗滑樁的加固整治后，最大位移由19 cm降至0.009 5 cm，治理效果十分顯著。

圖20　治理后總體位移云圖

圖21　治理后總體位移中線剖面云圖

由以上分析結果可知，經預應力錨索抗滑樁加固整治后，滑坡最大位移由19 cm降至0.009 5 cm，經預應力錨索框架加固后，滑坡體的最大位移降至0.02 cm。

4　結　論

（1）建立簡化三維模型，分析其在天然條件下的穩(wěn)定狀態(tài)，得到滑坡安全系數為0.99，總體最大位移為19 cm，此時滑坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，在剪應變增量云圖中找到滑動面(或潛在滑動面)的位置。

（2）應用軟件，模擬預應力錨索框架和預應力錨索抗滑樁整治滑坡，經預應力錨索框架治理后滑坡體的最大位移由19 cm下降到0.02 cm，經預應力錨索抗滑樁治理后滑坡體的最大位移降至0.009 5 cm，這兩種治理措施效果都十分顯著。

（3）預應力錨索框架是預應力錨索與混凝土框架梁的復合結構，能夠充分發(fā)揮錨索和框架梁的錨固作用；預應力錨索抗滑樁綜合了預應力錨索和抗滑樁二者的優(yōu)點，在樁上設置一排或多排錨索，并對錨索施加預應力，將錨索錨固在穩(wěn)定的基巖中,以達到阻止邊坡滑動的目的，通過預應力錨索與抗滑樁共同承受滑坡推力，兩者有機結合，發(fā)揮各自的長處，從而更有效地加固坡體。

預應力錨索框架和預應力錨索抗滑樁已經被大量工程實踐證明為是十分有效的治理滑坡的措施，與普通的抗滑樁相比，這兩種結構充分的改善了結構體的受力狀態(tài)，使結構體變被動抗滑為主動抗滑，極大地提高了治理滑坡的效果。

[1]王恭先,徐峻齡,劉光代,等.滑坡學與滑坡防治技術[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[2]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

[4]賈金青,鄭衛(wèi)鋒,陳國周.預應力錨桿柔性支護技術的數值分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3979-3982.

[5]洪濱.預應力錨索抗滑樁優(yōu)化設計研究[D].重慶:重慶交通大學, 2007.

TU457

A

1009-7716（2016）03-0139-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.041

2015-11-11

宋民崇（1983-），男，吉林農安人，工程師，從事道路、橋梁設計與科研工作。