復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)加固位置對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

孟叢叢，王富強

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 概 述

在目前的邊坡治理工程中，抗滑樁多以直樁結(jié)構(gòu)為主，受結(jié)構(gòu)尺寸、應(yīng)力變形等因素限制，單體抗滑樁治理效果一般，對樁后巖土體的充分利用及空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化認(rèn)識不深。當(dāng)滑坡推力增大時，通常采用增大截面尺寸及配筋量、在樁身設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索等措施，提高抗滑樁的支擋性能。研究了一種由多個梯鍵單元組成的復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)，如圖1所示。結(jié)構(gòu)中的梯鍵單元形成樁群，空間利用更加充分，梯鍵單元之間的協(xié)同工作能力提升了抗滑能力，充分發(fā)揮整體加固和支擋作用。適用于大體積滑坡以及當(dāng)滑坡體及周邊區(qū)域分布較多的較多的建筑物、構(gòu)筑物且基本不具備地表工程治理可能性的工程。

圖1 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)示意圖

利用FLAC3d計算分析軟件建立模型，分析了復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)位于滑坡體不同位置時滑體模型的剪切應(yīng)變和滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力，探討了在抗滑樁加固邊坡體系中，復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)不同設(shè)置位置對滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)、臨界滑移面的影響。

2 滑坡計算模型

研究的滑坡模型為三層，自定義強度折減層，將模型的兩側(cè)邊界和底邊界視為固定邊界約束，作為數(shù)值計算時的收斂邊界條件，將兩側(cè)及底邊界位置設(shè)置于較遠(yuǎn)處，以減小邊界效應(yīng)對模型計算時的影響。分析模型所選用的材料以及滑坡體各部位物質(zhì)成分視為均質(zhì)，對地下水位的變化以及地表荷載的影響等其他因素不做考慮。

分析模型長180 m，高度為118 m，由三層組成，從上至下，依次為滑坡體、滑坡帶和滑坡床?；w縱向長度為145 m，滑坡體厚度12～30 m，最大厚度約為30 m。模型網(wǎng)格劃分時，共建立單元數(shù)為13 462，如圖2所示。

圖2 滑坡體模型網(wǎng)格劃分圖

在進行邊界條件處理時，為了便于結(jié)果的計算與分析，模型兩側(cè)的邊界以及底邊界定為遠(yuǎn)離滑體。在滑坡體模型左側(cè)，邊界設(shè)置定義時，所有網(wǎng)格節(jié)點始終在X軸方向的速度不變，其具體范圍是X=-0.1和X=0.1這兩個平面內(nèi)所有網(wǎng)格節(jié)點。對于模型右側(cè)，邊界設(shè)置定義時，所有網(wǎng)格節(jié)點始終在X軸方向的速度不變，其具體范圍是X=179.9和X=180.1這兩個平面內(nèi)所有網(wǎng)格節(jié)點。模型底面邊界限制時，邊界定義在范圍Z=-0.1與Z=0.1這兩個平面內(nèi)，所有網(wǎng)格節(jié)點保持在Z軸方向的速度不變。模型上表面設(shè)置為自由邊界，是位移變形分析的核心。自重應(yīng)力場為模型的初始應(yīng)力場。

3 模型的初始平衡狀態(tài)

模型計算歷時44 704步達(dá)到平衡狀態(tài)，對豎向應(yīng)力、剪切應(yīng)變和滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)等指標(biāo)進行如下分析。

3.1 豎向應(yīng)力

滑坡巖土體應(yīng)力云圖在豎直方向均勻分布，表面的豎向應(yīng)力基本為零并且從上至下為遞增趨勢，計算結(jié)果與實際應(yīng)力狀態(tài)的基本規(guī)律相同，表明數(shù)值模擬分析較為合理。豎向應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 滑坡巖土體的豎向應(yīng)力分布圖

3.2 剪切應(yīng)變

滑坡體在滑帶區(qū)域出現(xiàn)最大位移變化，滑坡體前后出現(xiàn)貫通區(qū)域，該貫通區(qū)域為滑坡的潛在破壞面。在滑帶土的上下部區(qū)域都出現(xiàn)較小的剪切應(yīng)變增量，剪切變形量隨距離滑帶距離增大而減小，最遠(yuǎn)處基本無剪切變形，具體見圖4。通過分析計算，在重力作用下，滑坡沿著滑帶形成貫通的剪切變形和實際應(yīng)變情況相符，表明模型的建立與計算合理。

圖4 滑坡巖土體的剪切應(yīng)變增量分布圖

3.3 滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)

對滑坡模型采用強度折減計算法進行安全穩(wěn)定系數(shù)計算，計算結(jié)果如圖5所示?；掳踩€(wěn)定系數(shù)為1.02，表明所分析的滑坡模型基本處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，從而更有利于分析在添加復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)后的模擬效果。

圖5 滑坡巖土體安全系數(shù)分布圖

4 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)在滑坡巖土體中下部

4.1 結(jié)構(gòu)抗滑模型建立

在滑坡巖土體的中下部區(qū)域設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)，復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置于滑坡后。設(shè)置三級臺階進行數(shù)值模擬，臺階與臺階之間由馬蹄形橫臂和矩形豎腿相連接，形成整體抵抗滑坡推力，減小滑體的位移，提高抗滑效果。對模擬的復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一編號，如圖6所示。復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)模型參數(shù)如表1所示，定義其物理力學(xué)特征。

圖6 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)樁段編號圖

表1 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)各樁段模型參數(shù)

4.2 結(jié)構(gòu)抗滑模擬結(jié)果

(1)剪切應(yīng)變

在滑坡巖土體中下部設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)后，通過模擬分析，剪切應(yīng)變增量分布如圖7所示。分析得出如下結(jié)論：①滑床區(qū)域剪切變形增量很小，接近于零，這與初始平衡狀態(tài)基本相同?；矠榛鶐r，處于穩(wěn)定狀態(tài)并且其穩(wěn)定性不會受到抗滑樁的影響，這與實際情況相符。②在滑帶部位，設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)后，其剪切變形增量接近于零。表明樁土模型發(fā)生相互鎖固作用，復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)對抵擋滑坡滑動有顯著效果。③滑帶的上部位置未設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)，發(fā)生了一定剪切變形增量，但其增量與未設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)相比減小了10%左右，充分表明復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)在抵擋滑坡滑動時起到的顯著作用。④在整個滑帶區(qū)域，未見剪切應(yīng)變貫通現(xiàn)象。

圖7 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)抗滑模型剪切應(yīng)變分布圖

(2)滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)

采用強度折減理論對復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)進行安全穩(wěn)定性分析，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.34，大于1，說明整個滑坡巖土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未產(chǎn)生明顯的滑坡。通過設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)顯著提升，體現(xiàn)了復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)起到的顯著效果。

5 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)位于滑坡巖土體中上部

5.1 結(jié)構(gòu)抗滑模型建立

將復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置于滑坡巖土體中上部區(qū)域。物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)的連接方式和幾何尺寸與設(shè)置于中下部時完全一致，由此分析復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置位置這個單一因素產(chǎn)生的影響。

5.2 結(jié)構(gòu)抗滑模擬結(jié)果

(1)剪切應(yīng)變

在滑坡巖土體中上部設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)后，通過模擬計算分析，剪切應(yīng)變增量分布如圖8所示。分析得出如下結(jié)論：①滑坡的中上部其剪切變形量有一定程度的減小，較未設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)之前，變形量減小5%左右，設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)可有效降低滑坡體的整體剪切變形程度，穩(wěn)定性提高，該支擋結(jié)構(gòu)起到了顯著的阻滑效果。②滑坡的中部和滑坡的前部，其剪切變形較未設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)前雖有一定的減小，但是減小的程度較低。同時，在滑坡的中下部，仍然出現(xiàn)明顯的剪切破壞面，說明復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)置于滑坡的上部時，對滑坡中下部加固效果有待提高。

圖8 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)抗滑模型剪切應(yīng)變分布圖

(2)滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)

采用強度折減理論對復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)抗滑模型進行安全穩(wěn)定性分析，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.28，安全穩(wěn)定系數(shù)大于1，表明滑坡巖土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未產(chǎn)生滑坡趨勢，與不設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)相比，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)明顯增加。

6 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)位于滑坡巖土體中部區(qū)域

6.1 結(jié)構(gòu)抗滑模型建立

將復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置于滑坡巖土體中部，僅改變復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置位置，物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)連接方式和幾何尺寸與設(shè)置于在滑坡中下部和中上部模擬時相同。

6.2 結(jié)構(gòu)抗滑模擬結(jié)果

(1)剪切應(yīng)變

在滑坡巖土體中部設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)，剪切應(yīng)變增量分布如圖9所示。得出如下結(jié)論：①滑床區(qū)域未見明顯的剪切變形增量，這與初始平衡狀態(tài)基本相同。在滑帶部位，設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)后，滑帶的中部、前部均未見明顯剪切變形，穩(wěn)定性良好，滑帶上部雖然有一定的剪切變形，但是變形量很小，這主要是與較陡的地勢有關(guān)，土體在局部范圍內(nèi)發(fā)生變形。②滑坡最大剪切變形量較未設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)有了十分顯著的降低，復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)在該部位能夠很好的發(fā)揮其加固滑坡的作用，使滑坡達(dá)到整體穩(wěn)定。

圖9 復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)抗滑模型剪切應(yīng)變分布圖

(2)滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)

采用強度折減理論對復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)抗滑模型進行安全穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果顯示，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.52，大于1，說明滑坡巖土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有產(chǎn)生滑動趨勢，相對于未設(shè)置梯鍵結(jié)構(gòu)的天然狀態(tài)，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)明顯增大。

7 不同加固位置計算結(jié)果對比分析

7.1 剪切應(yīng)變結(jié)果對比分析

將各種情況的最大剪切變形量匯總，如表2所示。對比分析得出以下結(jié)論：(1)設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)的滑坡巖土體最大剪切變形量較未設(shè)置復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)的減小90%以上，即剪切變形量得到顯著改善。(2)當(dāng)復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置在滑坡體中部時，最大剪切變形量最小，支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在滑坡中下部區(qū)域時，剪切變形量次之，支擋結(jié)構(gòu)設(shè)置在滑坡中上部區(qū)域時，剪切變形量最大。因此將復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)置于滑坡中部區(qū)域時，抗滑效果最為顯著，置于滑坡中下部區(qū)域次之，置于滑坡中上部時，抗滑效果較差。

7.2 滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)對比分析

將各種情況的安全穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果進行匯總，如表3所示。對比分析得出以下結(jié)論：(1)采用復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)對滑坡進行支擋時時，滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)都會有不同程度的提高，表明該支擋結(jié)構(gòu)無論置于滑坡的任何位置，都可以增加滑坡的安全穩(wěn)定性。(2)在其他條件不變的情況下，將復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)置于滑坡的中部時，抗滑效果最佳，位于滑坡中下部區(qū)域時效果次之，將復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)置于滑坡的上部時，抗滑效果不明顯。終上所述，滑坡支擋結(jié)構(gòu)置于滑坡的不同部位時，對滑坡的加固效果會有顯著的差異，并且支擋結(jié)構(gòu)置于滑坡的中部，抗滑加固效果最佳。

表2 不同加固位置的最大剪切變形量

表3 不同加固位置的滑坡安全穩(wěn)定系數(shù)

8 結(jié) 語

(1)采用復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)對滑坡進行加固時，當(dāng)復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)在滑坡中部時，滑坡最大剪切變形量最小，滑坡的安全穩(wěn)定系數(shù)最大，與未設(shè)置加固結(jié)構(gòu)的滑坡體相比，穩(wěn)定性提高約50%，較將復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)設(shè)置于滑坡巖土體中下部或中上部時，穩(wěn)定性提高10%～20%。

(2)采用復(fù)合梯鍵結(jié)構(gòu)進行滑坡加固時，在其他條件不變的情況下，應(yīng)將該結(jié)構(gòu)置于滑坡巖土體的中部區(qū)域，以更好地發(fā)揮阻滑作用。