降雨條件下的滑坡-抗滑樁作用機(jī)理數(shù)值分析

徐水平，佟 新， 馮 永

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450008；2河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450001)

1 工程概況

1.1 工程概況

漳龍鐵路于1998年4月8日正式動工，是國家1998年重點(diǎn)建設(shè)的工程，全長147.76 km，國家Ⅱ級鐵路干線，總投資26.3 億元，由鐵道部、廣東省和福建省合資修建的鐵路。漳龍鐵路廣東段長99.78 km，投資為16.96 億元，由廣梅汕鐵路有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)營管理。

漳龍鐵路茶陽車站位于鐵路運(yùn)營里程樁號漳龍線K160+350～K161+100，線路長0.76 km。而研究范圍內(nèi)現(xiàn)在由于人為的工程開挖及自然降雨，產(chǎn)生了一新滑坡。該滑坡的產(chǎn)生，直接導(dǎo)致了農(nóng)田的鼓丘和凹陷，鐵路軌道的位移和沉降，根據(jù)上述一系列巖土體滑動的痕跡，綜合判斷巖土體處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，有再次發(fā)生滑動可能性。

1.2 地層條件

根據(jù)勘察資料，場區(qū)內(nèi)地層情況從地表起自上而下依次如表1所示。

1.3 滑坡體抗滑樁方案設(shè)計(jì)

為了確保車站及鄰近建筑物的安全，按照初步確定的治理方案，在距離鐵路紅線7.5 m(距離鐵路中心線32.5 m)處設(shè)置抗滑樁截面初定矩形樁，樁長最小值為35 m，最大值為42 m。要求抗滑樁工程的設(shè)計(jì)和施工必須安全可靠、整體穩(wěn)定。

2 滑坡體-抗滑樁作用體系的三維分析

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的有限元軟件，解決包括相對簡

表1 土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

單的線性分析到工程復(fù)雜的非線性問題。

ABAQUS包括一個(gè)多樣的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。擁有多種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，這使得ABAQUS軟件在處理巖土力學(xué)中復(fù)雜的非線性問題有其本身的優(yōu)勢。

2.1 土體本構(gòu)模型選用及相關(guān)參數(shù)

本次模擬采用(非飽和土)巖土體選取Mohr-Coulomb(摩爾庫倫)的本構(gòu)模型，巖土體參數(shù)，見表1土層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

材料滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系為：

kw=awkws/[aw+(bw(ua-uw))cv]

(1)

式中：ua為大氣壓力，由于與坡面接觸，故取為0；kws是土體飽和時(shí)的滲透系數(shù)，取5.0×10-6m/s；aw、bw、cw是材料系數(shù)，分別取為1 000,0.01,1.7。

飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系為：

sr=si+(sn-si)as/[as+[as+(bs×(ua-uw))cs]

(2)

式中：Sr為飽和度；Si為殘余飽和度，其值取為0.08；Sn為最大飽和度，取1；as、bs、cs是材料系數(shù)，取為1,0.000 05,3.5。

2.2 降雨模型

表2給出了氣象部門規(guī)定的降雨量標(biāo)準(zhǔn)，本文中對降雨量的考慮參照表3選取，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，確定為4種降雨模式(表3及圖1)。

表2 降雨量標(biāo)準(zhǔn)

圖1 不同模式下的降雨過程曲線

編號降雨等級雨強(qiáng)/(mm·d-1)降雨歷時(shí)/h降雨量/mm模式一無雨000模式二大雨402440模式三大暴雨10024150模式四大雨4072150

2.3 ABAQUS數(shù)值分析模型的建立

根據(jù)地質(zhì)分析，邊坡地質(zhì)模型可概化為：雜填土、粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化綠簾石巖，三維地質(zhì)模型范圍平行于滑

體主軸方向?yàn)?67 m(X軸方向)， 垂直于滑體主軸方向?yàn)?50 m(Y軸方向)，垂直方向最高為105～273 m(Z軸方向，高程為0～167 m)，前后兩面(滑坡移動方向)約束X、Y方向的位移，兩側(cè)面約束Y方向的位移，底面約束三個(gè)方向的位移，地表為自由面?？紤]自重、地表荷載，計(jì)算工況為表4所列的工況，水位的作用采用程序中的滲流模式進(jìn)行模擬。模擬過程中的土力學(xué)參數(shù)見表1。模型PAT是有犀牛軟件生成的文件后導(dǎo)入國際通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行前處理分析的，計(jì)算模型如圖2所示，共劃分5 430個(gè)單元，24984個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 巖土體三維計(jì)算模型

3 作用體系的三維分析結(jié)果

3.1 降雨作用下孔隙壓力的結(jié)果分析

滑坡的孔隙水壓力如圖3所示，從圖3中可以看出降雨入滲以后的孔壓分布圖跟初始的孔壓分布有著明顯的區(qū)別，降雨之前孔壓隨地層成線性分布，但之后巖土體頂部、中部及坡面以下一定范圍內(nèi)孔隙水壓力明顯升高，吸力區(qū)域減小，基質(zhì)吸力也降低，同時(shí)，在降雨過程中圖3(a)、(b)、(c)巖土體內(nèi)部均未達(dá)到的飽和還都是負(fù)壓力區(qū)，但在圖4(d)中巖土體中部及坡面以下一定范圍內(nèi)孔隙壓力已出現(xiàn)正值，說明此時(shí)滑坡體已出現(xiàn)飽和區(qū)。

圖3 各個(gè)模式下的孔隙水壓分布圖

現(xiàn)已檢測點(diǎn)2作為研究對象，做出不同模式下J02點(diǎn)處的孔隙水壓曲線，如圖5。圖5中模式一、二、三在24 h時(shí)孔隙水壓分別為-2 108.1，-167.4，-143.2 kPa都還小于零，而模式四在72 h時(shí)為84.1 kPa已經(jīng)大于零，由此可驗(yàn)證上述結(jié)論的正確性。

圖4 各個(gè)模式下J02處的孔隙水壓力曲線

同樣，通過已有的檢測點(diǎn)來看模式四各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力變化曲線，如圖5。

圖5 孔隙水壓力變化曲線

通過圖5同樣可以驗(yàn)證圖3得出的結(jié)論，圖5中J02最后孔隙壓力為84.1 kPa，已是正值，說明此時(shí)滑坡體已經(jīng)飽和，隨時(shí)都有可能出現(xiàn)滑坡危險(xiǎn)的可能。

3.2 降雨作用下巖土體的位移分析

滑坡的水平位移如圖3所示，在模式二下坡頂、坡底的水平位移較大，而隨著降雨量的加大及降雨時(shí)長的增加，坡體水平位移的最大值由坡頂坡底逐漸過度到坡中水平位移最大說明降雨入滲后，巖土體的孔隙壓力增加，有效應(yīng)力減小導(dǎo)致坡體中部由于重力的影響而水平位移加大。同時(shí)可以看出坡中出現(xiàn)一定的膨脹，這主要是因?yàn)榻涤陮?dǎo)致滑坡體飽和度的增大而吸力有所降低同時(shí)有效應(yīng)力減小，從而出現(xiàn)卸荷回彈現(xiàn)象。這也是為什么圖3中坡中會先出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象的原因。

圖6 各個(gè)模式下的水平位移圖

現(xiàn)在通過已有的檢測點(diǎn)來看模式四各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移變化曲線，如圖7。

圖7 水平位移變化曲線

通過圖7可以看出，隨著降雨量的加大及降雨時(shí)長的增加，J01水平位移由-0.005 9 m增加到-0.000 5 m，而J02由-0.017 8 m增加到0.059 8 m，J02位移增長率大于J01的增長率，由此可以驗(yàn)證圖7坡體水平位移的最大值由坡頂坡底逐漸過度到坡中水平位移最大的結(jié)論，說明降雨入滲后，滑坡體的孔隙壓力增加，有效應(yīng)力減小導(dǎo)致坡體中部由于重力的影響而水平位移加大。

3.3 降雨作用對土拱效應(yīng)的影響

滑坡的最大自主應(yīng)力等值線云圖如圖8所示，從圖8中可以看到隨著降雨量的加大及降雨時(shí)長的增加，土拱效應(yīng)作用逐漸減弱。這是因?yàn)殡S著降雨入滲土體孔壓增大，飽和度也隨著增加，巖土體的抗剪強(qiáng)度因有效應(yīng)力減小導(dǎo)致土拱作用的減弱。

圖8 各個(gè)模式下的最大主應(yīng)變等值線

同樣，在模型四選取模型左邊第1、2根抗滑樁樁中心線垂直Y軸的剖面上(選取7個(gè)監(jiān)測點(diǎn))X方向應(yīng)變作為研究對象，繪制出圖9。

圖9 最大主應(yīng)變變化曲線

通過圖9可以驗(yàn)證圖8的結(jié)論：隨著降雨量的加大及降雨時(shí)長的增加，12 m處的最大主應(yīng)力等值線基本不變，而6 m處的受到了一定的影響說明應(yīng)變拱半徑最大可以到達(dá)6 m處，而12 m處基本不受影響。另外，從3、0、-3 m最大主應(yīng)變變化曲線可以看出從6 h到48 h最大主應(yīng)變曲線一直減小說明土拱效應(yīng)起作用，到達(dá)48 h的時(shí)候土拱效應(yīng)起最大作用隨后應(yīng)變急劇增加，此時(shí)土拱效應(yīng)破壞。

3.4 三維空間的土拱效應(yīng)分析

由圖8可以看出由于受到土拱效應(yīng)的影響,滑體的最大主應(yīng)變在抗滑樁前后發(fā)生了顯著的變化,在圖10中可見樁后應(yīng)力影響的范圍自上而下逐漸減小,表明土拱效應(yīng)的影響范圍會隨著滑體深度增加逐漸的變小，因此,在抗滑樁程實(shí)踐中,應(yīng)考慮到土拱效應(yīng)隨滑體的深度逐漸減弱的規(guī)律,并根據(jù)土拱作用的影響范圍進(jìn)行抗滑樁的設(shè)計(jì)。

圖10 各個(gè)模式下抗滑樁處橫切面最大主應(yīng)變等值線

同樣，在模型四下取計(jì)算模型抗滑樁處橫切面左邊第1、2根抗滑樁樁中心線垂直Y軸的剖面上(選取4個(gè)監(jiān)測點(diǎn))X方向應(yīng)變作為研究對象，繪制出圖11。

圖11 最大主應(yīng)變變化曲線

通過圖11可以驗(yàn)證圖10的結(jié)論：隨著降雨量的加大及降雨時(shí)長的增加，-9 m處的最大主應(yīng)力等值線基本不變，而0、-3、-6 m處在降雨到達(dá)48 h之前各個(gè)曲線是下走的趨勢，這是因?yàn)橥凉捌鹱饔玫脑?，而且各個(gè)斜率不一，0 m處最大而-6 m處最小可以，-9 m處基本不受影響，表明土拱半徑在-6 m左右，在-9 m處土拱影響不到。另外，在從48 h之后各個(gè)曲線走勢開始走高，說明此時(shí)土拱已經(jīng)破壞，有隨時(shí)發(fā)生滑坡災(zāi)害的可能。

4 結(jié) 語

(1)通過對降雨作用下孔隙壓力結(jié)果的分析得出：降雨入滲后的孔壓分布跟初始孔壓分布有著明顯的區(qū)別，降雨之前孔壓隨地層成線性分布，但之后坡面以下一定范圍內(nèi)孔隙水壓力出現(xiàn)明顯變化，吸力區(qū)域減少，基質(zhì)吸力降低。同時(shí)，在降雨過程中，非飽和土?xí)袕呢?fù)壓力區(qū)轉(zhuǎn)變到正壓力區(qū)，當(dāng)?shù)揭欢ǔ潭葧r(shí)隨時(shí)可能會發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

(2)通過對降雨作用下巖土體位移分析得出：隨著降雨量的加大及降雨時(shí)長的增加，巖土體的孔隙壓力增加，有效應(yīng)力

減小導(dǎo)致滑坡體由于重力的影響而水平位移加大。同時(shí)，在實(shí)際的巖土體會出現(xiàn)一定的膨脹現(xiàn)象，這主要是因?yàn)榻涤陮?dǎo)致邊坡飽和度增大而地質(zhì)吸力有所降低，得有效應(yīng)力減小從而出現(xiàn)卸荷回彈的現(xiàn)象。

(3)通過降雨作用對土拱效應(yīng)的影響分析得出：隨著降雨入滲，孔隙壓力增大，飽和度隨著增加，巖土體的抗剪強(qiáng)度因有效應(yīng)力減小導(dǎo)致土拱效應(yīng)減弱。

(4)樁后應(yīng)力影響的范圍自上而下逐漸減小,表明土拱效應(yīng)的影響范圍會隨著滑體深度增加而逐漸減小。

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