基于FLAC3D的邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固處理分析

摘要：滑坡作為常見的地質(zhì)災害之一，嚴重影響著人們的生命和財產(chǎn)安全，研究邊坡的安全狀態(tài)和加固方法至關(guān)重要。文章以某山區(qū)斜坡地帶邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法，對該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進行分析，并采用抗滑樁進行加固處理，分析了改變抗滑樁樁長和樁間距時樁頂水平、豎向位移和邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：天然狀態(tài)下邊坡存在類似圓弧的潛在滑移面，邊坡處于亞穩(wěn)定狀態(tài);暴雨工況下最大位移值是天然狀態(tài)時的3.3倍，邊坡的安全系數(shù)為1.05，易發(fā)生滑坡，應進行相關(guān)加護設計;增加抗滑樁樁長可以有效地減小樁頂水平位移，而對樁頂豎向位移基本無影響，此時邊坡安全系數(shù)隨樁長的增加而增大，但改變幅度較小;隨著抗滑樁樁間距的減小，樁頂水平和豎向位移不斷減小，適當減小樁間距可以有效增大邊坡安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：天然邊坡;穩(wěn)定性;抗滑樁;位移

0 引言

滑坡作為常見的地質(zhì)災害之一，嚴重影響著人們的生命和財產(chǎn)安全，研究天然邊坡的安全狀態(tài)和加固方法至關(guān)重要。在我國西部一些山區(qū)，由于公路及鐵路的建設，很多鄰近道路的天然邊坡需要進行安全評估及加固處理。再者，這些地區(qū)在夏季很容易出現(xiàn)暴雨等極端工況，使得邊坡的安全狀況堪憂?；诖?，國內(nèi)一些學者進行了相關(guān)研究，如吳平等人[1]結(jié)合某山斜坡治理工程，采用FLAC3D軟件對該斜坡采用錨桿抗滑樁加固后的穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果表明邊坡加固方案可行;陳樂求等人[2]采用計算機語言編制邊坡在抗滑樁加固情況下的穩(wěn)定性程序，并用FLAC3D的計算結(jié)果進行對比，通過抗滑樁支護參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響進行分析;徐翔、俞剛、樓金其等人[3-5]利用FLAC軟件對抗滑樁加固滑坡進行數(shù)值模擬分析，并分析了滑坡支護前后的位移場、應力場和塑性區(qū)分布;黃云浩、王大偉等人[6-7]采用Plaxis有限元軟件，利用局部強度折減法對某巖質(zhì)邊坡的抗滑樁加固處理進行數(shù)值模擬分析等。

本文主要以某山區(qū)斜坡地帶邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法，對該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進行分析，判斷該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的穩(wěn)定性狀態(tài)，采用抗滑樁進行加固處理，并分析改變抗滑樁樁長和樁間距時樁頂水平和豎向位移與邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，研究結(jié)果可為類似地區(qū)邊坡加固處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

某邊坡位于山區(qū)斜坡地帶，由于臨近省道且該地區(qū)在夏季易出現(xiàn)暴雨等極端天氣，嚴重威脅著人們生命與財產(chǎn)安全。通過現(xiàn)場勘探，該邊坡整體長度約為160 m，寬度為300 m左右，基巖以上邊坡高度約為60 m。地質(zhì)報告顯示，該處地層主要包括第四系全新統(tǒng)晚期沖洪積物、第四系全新統(tǒng)晚期早洪積物、第四系全新統(tǒng)滑坡堆積物、第四系上更新統(tǒng)風積物、第四系中更新統(tǒng)風積物、新近系泥巖以及三疊系上統(tǒng)砂巖永坪組。為了判斷該處邊坡的穩(wěn)定性以及為滑坡處理提供參考，下文利用數(shù)值模擬手段進行分析。

2 數(shù)值建模

如圖1所示，為利用大型有限差分軟件FLAC3D建模得到的數(shù)值模型圖。模型長度為200 m（x方向）、寬度取20 m（y方向）、高度為100 m（z方向）。模型單元格總數(shù)量為1.6萬個，并將模型的水平方向以及模型底部進行位移鎖定和控制邊界。本文采用莫爾-庫倫作為本構(gòu)模型，取剪脹角為零。根據(jù)實際地質(zhì)條件，將模型土體分為5個部分，分別為第四系中更新統(tǒng)風積物（Qeol2）、新近系泥巖（Ng）、第四系全新統(tǒng)晚期早洪積物（Qlal+pl4）、三疊系上統(tǒng)砂巖（T3W）以及第四系全新統(tǒng)滑坡堆積物（Qdel4）。具體物理力學指標如表1所示，包括天然狀態(tài)和暴雨工況兩種。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 天然狀態(tài)和暴雨工況下的數(shù)值分析

3.1.1 天然狀態(tài)下的數(shù)值分析

判斷邊坡潛在滑移面的方法有很多，其中最大剪應變增量云圖是非常有用的一種。為了分析天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性，如圖2所示，將該邊坡的最大剪應變增量云圖提取出來。由圖2可知，在圖中箭頭所指位置，存在細條帶，該條帶的最大剪應變增量明顯大于周圍土體，尤其在坡頂?shù)奈恢茫畲蠹魬冊隽扛鼮槊黠@。為了更加細致地描述，如圖3所示，將邊坡位移云圖提取出來。由圖3可知，存在一個類似圓弧帶的位置，其上方土體位移明顯大于其他位置，最大位移值達2.3 cm。根據(jù)強度折減法，邊坡的安全系數(shù)為1.15。一般情況下，認為安全系數(shù)FS>1.2是穩(wěn)定的，此時，可以認為該邊坡在天然狀態(tài)下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 暴雨工況下的數(shù)值分析

如圖4所示，為暴雨工況下的邊坡位移云圖。由圖4可知，同樣存在一個類似圓弧帶的位置，其上方土體位移明顯大于其他位置，最大位移值達7.6 cm，是天然狀態(tài)時的3.3倍。此時，根據(jù)強度折減法得到邊坡的安全系數(shù)為1.05。此時，邊坡不穩(wěn)定，很容易發(fā)生滑坡，應進行相關(guān)加護設計。

3.2 抗滑樁作用下的數(shù)值分析

本工程采用抗滑樁加固邊坡，如圖5所示，為加抗滑樁時數(shù)值數(shù)值模型圖?？够瑯兜牧W參數(shù)如表2所示，抗滑樁的位置點在模型節(jié)點（118，2，63.261）處。樁體采用樁單元結(jié)構(gòu)模型。下文分別改變樁長L與樁間距d對該滑坡穩(wěn)定性進行相關(guān)研究。

3.2.1 不同樁長L時數(shù)值結(jié)果分析

為了分析樁長的影響，將樁間距設置為10 m且保持不變。如圖6所示，為改變樁長度L時的樁頂水平位移曲線。由圖6可知，隨著樁長的增大，樁頂水平位移在到達104時間步時基本處于穩(wěn)定。文中取樁長分別為16 m、18 m、20 m、22 m和24 m，最終，樁頂水平位移對應分別為4.38 mm、3.34 mm、2.81 mm、2.17 mm和2.02 mm，隨著樁長的增加，樁頂水平位移不斷減小，相對于16 m樁長，樁長為24 m時樁頂水平位移減小了49.5%。由此可知，增加樁長可以有效地減小樁頂水平位移。

如圖7所示，為改變樁長度L時的樁頂豎向位移曲線。文中同樣取樁長分別為16 m、18 m、20 m、22 m和24 m，最終，樁頂豎向位移對應分別為7.47 mm、7.35 mm、7.24 mm、7.42 mm和7.32 mm，隨著樁長的增加，樁頂豎向位移基本沒有發(fā)生變化。由此可知，增加樁長對樁頂豎向位移基本無影響。

為了更加直觀地反映邊坡安全系數(shù)隨樁長的變化趨勢（如圖8所示），給出邊坡安全系數(shù)隨樁長的變化規(guī)律。如圖所示，當樁長為16 m時，邊坡安全系數(shù)為1.131，而當樁長為26 m時，邊坡安全系數(shù)為1.180。邊坡安全系數(shù)隨樁長的增加而增大，但改變幅度并不大。

3.2.2 不同樁間距d時數(shù)值結(jié)果分析

為了探究樁間距d的影響，將樁長設置為20 m且保持不變。如圖9所示，為改變樁間距d時的樁頂水平位移曲線。由圖9可知，隨著間距d的增大，樁頂水平位移在到達104時間步時基本處于穩(wěn)定。文中取樁間距分別為4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，最終，樁頂水平位移對應分別為0.98 mm、1.16 mm、1.19 mm、1.22 mm和1.25 mm，隨著樁間距的減小，樁頂水平位移不斷減小，相對于樁間距8 m，樁間距為4 m時樁頂水平位移減小了21.6%。由此可知，增加樁間距可以減小樁頂水平位移。

如圖10所示，為改變樁間距d時的樁頂豎向位移曲線。文中同樣取樁間距分別為4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，最終，樁頂豎向位移對應分別為1.28 mm、1.51 mm、1.62 mm、1.67 mm和1.76 mm，隨著樁間距的增加，樁頂豎向位移基本沒有發(fā)生變化。隨著樁間距的減小，樁頂豎向位移不斷減小，相對于樁間距8 m，樁間距為4 m時樁頂豎向位移減小了27.3%。由此可知，增加樁間距可以減小樁頂豎向位移。

為了更加直觀地反映邊坡安全系數(shù)隨樁間距的變化趨勢，如圖11所示，給出邊坡安全系數(shù)隨樁間距的變化規(guī)律。當樁間距為4 m時，邊坡安全系數(shù)為1.250，而當樁間距為9 m時，邊坡安全系數(shù)為1.146。邊坡安全系數(shù)隨樁間距的增加而減小。綜上可知，適當?shù)販p小樁間距可以增大邊坡安全系數(shù)。

4 結(jié)語

本文以某山區(qū)斜坡地帶邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法對該邊坡在天然狀態(tài)和暴雨工況下的邊坡穩(wěn)定性進行分析，并采用抗滑樁進行加固處理，具體分析改變抗滑樁樁長和樁間距時樁頂位移和邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)論如下：

（1）天然狀態(tài)下邊坡存在類似圓弧的潛在滑移面，最大位移值達2.3 cm，邊坡的安全系數(shù)為1.15，此時該邊坡處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。暴雨工況下最大位移值達7.6 cm，是天然狀態(tài)時的3.3倍，邊坡的安全系數(shù)為1.05，此時邊坡不穩(wěn)定，易發(fā)生滑坡，應進行相關(guān)加護設計。

（2）隨著抗滑樁樁長的增加，樁頂水平位移不斷減小，相對于樁長16 m，樁長為24 m時樁頂位移減小了49.5%，增加樁長可以有效地減小樁頂水平位移，而增加樁長對樁頂豎向位移基本無影響。邊坡安全系數(shù)隨樁長的增加而增大，但改變幅度較小。

（3）隨著抗滑樁樁間距的減小，樁頂水平和豎向位移不斷減小，相對于樁間距8 m，樁間距為4 m時樁頂水平位移減小了21.6%、豎向位移減小了27.3%。隨樁間距的減小，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，適當?shù)臏p小樁間距可以增大邊坡安全系數(shù)。

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作者簡介：羅資清（1982—），工程師，主要從事交通土建工程工作。