基于FEM抗滑樁對土質(zhì)和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

阿布都賽米·阿布都熱西提

（喀什地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 喀什844000）

1 前言

近些年來世界各地滑坡災(zāi)害的發(fā)生頻率越來越大，給全球各地人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大的破壞和威脅。特別是我國在經(jīng)受了2008年汶川8.0級特大地震災(zāi)害后，大量山體的完整性遭到破壞，今后在遇到二次地震或者強降雨的影響時，極易發(fā)生大規(guī)模的滑坡災(zāi)害或者巖石崩塌等次生災(zāi)害。近期我國國內(nèi)發(fā)生的大規(guī)?；聻?zāi)害十分普遍，如2018年11月份發(fā)生的金沙江白格滑坡，直接導(dǎo)致金沙江堵塞斷流形成堰塞湖，威脅到下游安全；2017年6月發(fā)生在四川省阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村的高位滑坡，造成了大量人員傷亡和房屋倒塌。這些發(fā)生在周邊的滑坡災(zāi)害說明目前工程界對邊坡的治理問題還沒有引起足夠的重視，從而付出了沉重的代價。根據(jù)相關(guān)文獻［1-3］，可將常見的滑坡分為土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡，兩者的滑動機制及啟動原理各不相同，因此，有必要針對各類不同滑坡災(zāi)害的治理提出不同的工程措施，從而保證治理方案的經(jīng)濟性、可行性和合理性。

常見滑坡的治理經(jīng)常采用抗滑樁，其通過滑坡體插入到滑床的內(nèi)部，從而支擋滑體的滑動力，起穩(wěn)定邊坡的作用，抗滑樁主要適用于淺層和中厚層的滑坡，是抗滑處理的主要措施，且施工難度相對簡單。

綜合已有的關(guān)于抗滑樁的相關(guān)研究成果［4-6］，發(fā)現(xiàn)大部分研究均未考慮邊坡不同巖體條件下樁位的影響，而由于邊坡巖體錯綜復(fù)雜，不同巖體邊坡的抗滑樁最優(yōu)加固位置也應(yīng)有所不同。因此，本文基于有限元強度折減法，分別對土質(zhì)邊坡和含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡進行抗滑樁加固數(shù)值模擬分析，比較分析不同巖體性質(zhì)條件下不同加固位置邊坡的滑裂面，通過安全系數(shù)確定抗滑樁的最優(yōu)加固位置，并分析抗滑樁剪力和彎矩分布情況，從而達到對抗滑樁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的目的。

2 有限元強度折減法

常見的邊坡穩(wěn)定性分析主要包括極限平衡法和有限元法（finite element method，以下簡稱FEM），極限平衡法由于需假定滑裂面，在邊坡分析中存在各種假設(shè)條件，存在許多因素的不確定性，導(dǎo)致計算結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證。因此，目前更多的專家學(xué)者采用有限元強度折減法，其不需要假設(shè)滑裂面，由程序自動搜索計算。此法通過不斷降低土體的抗剪強度參數(shù)，不斷迭代重復(fù)進行有限元分析計算，直到有限元計算不收斂或塑性區(qū)貫通滑裂面為止，根據(jù)有限元計算結(jié)果可得到邊坡最危險滑動面的分布情況，最終將此時的折減系數(shù)定義為邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)［7，9］。折減計算如式（1）、式（2）：

式中 c和φ分別為滑坡體真實的黏聚力和內(nèi)摩擦角；F為折減系數(shù)；c′和φ′分別為滑坡體經(jīng)過折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 計算模型及參數(shù)選取

為分析不同巖土體條件下不同抗滑樁位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，分別建立二維有限元土質(zhì)邊坡模型和含有軟弱夾層的巖質(zhì)邊坡模型。為避免尺寸效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，本次計算的兩個邊坡模型的尺寸均相同，計算模型長100m，寬60m，邊坡坡高45m，邊坡坡角34°。其中土質(zhì)邊坡模型為均質(zhì)土坡，土體材料為粉質(zhì)黏土，巖質(zhì)邊坡模型如圖2，為Ⅲ類巖體，計算巖體力學(xué)參數(shù)如表1。

圖1 土質(zhì)邊坡模型

圖2 巖質(zhì)邊坡模型

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)

本次數(shù)值計算中抗滑樁采用彈性樁單元進行模擬計算，長度根據(jù)計算要求設(shè)置18m，抗彎剛度8500kN·m2/m，樁徑統(tǒng)一0.6m，泊松比0.19，此外，滑坡體與抗滑樁樁體之間接觸單元的摩擦系數(shù)取0.42。

4 土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡最佳設(shè)樁位置

4.1 土質(zhì)邊坡

為分析土坡模型中抗滑樁不同加固位置對邊坡穩(wěn)定性的影響，圖3顯示了不同樁位的邊坡危險滑動面。

圖3 不同樁位加固土質(zhì)邊坡危險滑裂面

圖3（a）為土坡在自然狀態(tài)下的危險滑動面，邊坡穩(wěn)定計算安全系數(shù)僅為1.01，穩(wěn)定性很差，需要及時采取加固措施。圖3（b）、圖3 （c）、圖3 （d）分別顯示了高、中、低抗滑樁加固邊坡的危險滑動面。各滑裂面均通過抗滑樁底部，此時，抗滑樁整體保持完好。圖3（b）、圖3 （c）、圖3 （d）位置抗滑樁加固土坡的安全系數(shù)分別為1.04，1.06，1.19，說明高、中樁加固效果差，低抗滑樁加固效果最好，穩(wěn)定安全系數(shù)提高了20%。其原因是低位抗滑樁的有效樁長較長，樁身插在原邊坡危險滑動面以下一定深度?？够瑯赌苡行胶膺吰略谧匀粻顟B(tài)下的滑動力。樁身抗滑力發(fā)揮了充分的作用，有效地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

表2給出了不同加固位置抗滑樁的最大剪切力和彎矩。

表2 不同樁位最大剪力和最大彎矩

表2表明，高位樁的最大剪切力和彎曲力矩最小，其次是中位樁，而低位樁的最大剪切力和彎曲力矩分別為679kN和1142kN·m。結(jié)果表明，低位樁加固效果最好，相關(guān)的計算結(jié)果與上述邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析結(jié)果一致。

4.2 巖質(zhì)邊坡

為了進一步分析樁位對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，軟弱夾層巖質(zhì)邊坡模型的破壞情況如圖4。

圖4 不同樁位加固巖質(zhì)邊坡破壞情況

天然狀態(tài)下巖質(zhì)邊坡的危險滑動面如圖4（a），可見巖質(zhì)邊坡破壞時沿軟弱夾層破壞，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.11。圖4（b）、圖4 （c）、圖4 （d）反映了不同樁位抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡的破壞情況。由此可見，與土質(zhì)邊坡分析結(jié)果不同，抗滑樁加固的巖質(zhì)邊坡滑動面仍沿軟弱夾層分布。此時，抗滑樁承受著巨大的滑坡推力，直至最終被剪出。

中位抗滑樁具有最佳的加固效果。加固后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為2.97，穩(wěn)定安全系數(shù)提高165%。其原因是滑坡體分為上下兩部分，中間抗滑樁加固后上部和下部較為均勻?？够瑯妒芰^均勻，有利于邊坡穩(wěn)定。當(dāng)采用高樁加固滑坡時，如圖4（b），抗滑樁下部有較大的下拉力，由于滑坡下部有大量土石方，且滑坡下部有大量的抗滑樁，抗滑樁上部不宜采用高樁加固，有局部滑坡的可能。分析表明，采用中樁加固時，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性最好。因此，在這種巖質(zhì)邊坡的加固施工中，建議盡量采用中間樁。

圖5和圖6分別為巖質(zhì)邊坡模型中抗滑樁不同加固位置樁的剪切圖和力矩圖。

圖5 抗滑樁剪力分布

圖6 抗滑樁彎矩分布

分析表明，高位樁有效承載長度僅占樁長的50%左右，而低位樁剪切如圖5（c）表明存在突變，最大剪切力為-4175kN，樁的受力分布不均勻。進一步分析可知，中位樁的有效長度最長，中位樁的有效長度約為樁身的中下部，約占樁身總長的67%，樁身上部只承受很小的剪切和彎曲模量，說明此抗滑樁未得到充分利用。因此，在抗滑樁施工過程中，建議將樁身埋于一定的巖土深度范圍內(nèi)，既能保證邊坡的穩(wěn)定，又能縮短33%樁的長度。

5 結(jié)語

本文以有限元法為基礎(chǔ)，介紹了有限元強度折減法在邊坡穩(wěn)定性計算中的相關(guān)原理。同時介紹了一種基于樁單元模擬抗滑樁的方法，分別建立了抗滑樁加固土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算的有限元數(shù)值模型，最終分析計算了彈性抗滑樁不同加固位置對于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性加固的影響，得到了以下相關(guān)結(jié)論：

（1）土質(zhì)邊坡采用低位樁加固效果最好，案例中的滑坡體穩(wěn)定安全系數(shù)提高了20%，而巖質(zhì)邊坡采用中位樁穩(wěn)定安全系數(shù)增長比例最大，且承受剪力和彎矩最大，邊坡破壞時抗滑樁完好，說明設(shè)計采用的抗滑樁能充承受剪力和彎矩；

（2）對于巖質(zhì)邊坡，中位抗滑樁加固效果最好，穩(wěn)定安全系數(shù)提高了165%，邊坡破壞時抗滑樁剪斷破壞。同時，建議采用下沉埋樁的施工工藝，把樁體埋入巖土體一定深度，節(jié)約加固成本。