基于滑帶應力水平分布的抗滑樁優(yōu)化加固位置研究*

李新哲 李 濤 潘 登 劉慧敏 李建林 鄧華鋒

(三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室(三峽大學)， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

滑坡是一種多發(fā)性的地質(zhì)災害，我國是一個多山的國家，也是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一(周家文等， 2019； 胡瑞林等， 2020； 劉傳正等， 2020)?？够瑯恫贾渺`活、施工方便、抗滑效果好，是各類滑坡治理中常用的加固措施。在采用抗滑樁加固中，合適的加固位置不僅可充分發(fā)揮抗滑樁的效能，還能減少工程量，有效降低工程成本，因此，其布置位置的選擇是方案設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個問題(楊光華等， 2011)。為此，較多工程技術(shù)人員和研究人員采用理論、試驗和數(shù)值模擬等多種方法對抗滑樁的優(yōu)化加固位置進行了研究，并取得了豐富的研究成果。

一方面，較多學者針對不同類型的滑坡，在不同的位置布置抗滑樁，通過加固效果的對比分析去研究優(yōu)化的加固位置，典型的如：年廷凱等(2012)研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁的最優(yōu)加固位置位于邊坡中下部； Ito et al. (1981)、Hassiotis et al. (1997)研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁加固于中上部時更有利于邊坡的整體穩(wěn)定； 王聰聰?shù)?2015)探討了樁長、設(shè)樁位置、樁體彈性模量等因素對邊坡安全系數(shù)等均有影響，研究表明抗滑樁的最優(yōu)加固位置受樁長影響較大，最優(yōu)加固位置位于邊坡的中部或中上部； 李家平等(2005)通過極限平衡法對抗滑樁最優(yōu)的加固位置進行研究，發(fā)現(xiàn)滑樁加固于邊坡滑弧的最低點時加固效果最優(yōu)； 戴自航等(2000)通過傳遞系數(shù)法對抗滑樁最優(yōu)加固位置進行分析，結(jié)果表明抗滑樁的最優(yōu)加固位置位于坡腳，更利于坡體穩(wěn)定； 譚捍華等(2011)采用能量方法研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁設(shè)置于邊坡中下部，加固效果最好； Gong et al.(2018)研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁的最佳加固位置靠近邊坡坡腳； Fang et al. (2018)采用有限元強度折減法對多滑帶邊坡進行了研究，研究結(jié)果表明抗滑樁應布置在各滑帶的中下部； Pan et al.(2017)對土坡的最優(yōu)加固位置進行了研究，研究表明當邊坡坡腳距離抗滑樁的距離與邊坡的水平長度之比為0.6時，此時的加固效果最優(yōu)。

滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的現(xiàn)象就是坡表變形，由于變形數(shù)據(jù)容易監(jiān)測，因此部分學者將邊坡變形與邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)聯(lián)系起來(董文文等， 2016； 趙建軍等， 2019)，以便根據(jù)邊坡的變形對邊坡的安全狀態(tài)進行評價和預警； 結(jié)合滑坡的變形特征，楊光華等(2012)提出了基于邊坡變形場確定抗滑樁最優(yōu)加固位置的方法，發(fā)現(xiàn)抗滑樁設(shè)置在邊坡位移較大的地方加固效果好。另外，在采用極限平衡方法進行工程邊坡穩(wěn)定分析和支護設(shè)計分析中，通常根據(jù)滑坡體的剩余下滑力分布特征來確定抗滑樁優(yōu)化加固位置。

這些研究成果為抗滑樁加固設(shè)計提供了較好的參考，但在實際滑坡工程加固設(shè)計中依然存在較大困難，例如，根據(jù)滑坡的破壞類型、變形分布特征等確定抗滑樁優(yōu)化加固位置(上部、中部、下部等)還沒有明確的判斷依據(jù)。例如，在根據(jù)坡體變形確定抗滑樁加固位置時，僅僅根據(jù)坡表位移無法對滑坡內(nèi)部最易破壞的位置進行準確判斷，而且所確定的優(yōu)化加固區(qū)域也只是一個范圍相對較大的區(qū)域，需要進行大量的枚舉試算方可進一步確定相對準確的位置，計算過程比較繁雜； 采用剛體極限法計算得到剩余下滑力雖然可以定量地確定優(yōu)化的抗滑樁加固位置，但由于計算方法本身沒有考慮滑坡體本身變形等因素的影響，所確定的加固位置往往與實際存在一定的差距。

綜合目前研究成果可以發(fā)現(xiàn)，不同類型的滑坡，具有不同的變形破壞特征，發(fā)生變形破壞的關(guān)鍵位置也不一樣。采用抗滑樁進行加固時，其最優(yōu)加固區(qū)域也不一樣，典型的如：對于誘發(fā)滑動區(qū)域在后緣的滑坡，抗滑樁的最優(yōu)加固位置一般在滑坡中上部，而誘發(fā)滑動區(qū)域在前緣的滑坡，最優(yōu)加固位置一般在滑坡的中下部(楊光華等， 2012)。在滑坡出現(xiàn)變形到最終失穩(wěn)破壞的整個過程中，滑帶所處的應力狀態(tài)是非常關(guān)鍵的，伴隨著滑動面的孕育與逐步貫通(許強， 2020)，而且，滑帶各位置也不可能在同一時間產(chǎn)生破壞，是一個典型的漸進破壞過程，這里涉及一個最易破壞區(qū)域，也就是影響或者控制整個滑坡穩(wěn)定的關(guān)鍵區(qū)域，如果能準確確定并在該區(qū)域進行加固，將達到良好的加固效果。為此，本文擬在以往研究基礎(chǔ)上，綜合考慮滑帶的應力場分布特征及滑帶土本身的強度特性，引入應力水平的分析思路，結(jié)合滑帶各位置的應力水平分布規(guī)律確定影響滑坡穩(wěn)定的最危險區(qū)域，也即優(yōu)化的抗滑樁加固位置。

1 基于滑帶應力水平的抗滑樁位置優(yōu)化分析思路

應力水平是Duncan-Chang在研究土體的應力-應變非線性時提出的(Duncan et al.，1970)，指的是基于Mohr-Coulomb強度準則下某點的主應力差與該點極限強度的比值(Duncan et al.，1970)，也即：

(1)

式中： (σ1-σ3)f為基于Mohr-Coulmb強度準則的極限強度，其表達式：

(2)

式中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ1、σ3為某點的最大主應力、最小主應力。

聯(lián)合式(1)和式(2)可知，應力水平與該點的應力狀態(tài)和巖土體的強度參數(shù)直接相關(guān)，因此，只要分析得到滑坡的應力場分布，便可求得各位置(包括滑帶)的應力水平分布情況，由此可以判斷哪些區(qū)域滑帶土處于屈服狀態(tài)，進而可以判斷滑坡的失穩(wěn)破壞區(qū)域及破壞類型，并確定最優(yōu)加固位置，進而取得較好的加固效果。

前述分析表明，不同破壞類型的滑坡，其最優(yōu)抗滑樁加固位置是不一樣的。為了將抗滑樁最優(yōu)加固位置與滑坡應力水平分布定量聯(lián)系起來，本文以典型滑坡為例，重點分析滑坡(特別是滑帶)應力水平和變形的分布特征，在滑帶不同應力水平位置布置抗滑樁，通過有限元強度折減法求解安全系數(shù)(連鎮(zhèn)營等， 2001； 欒茂田等， 2003； 張魯渝等， 2003； 韋立德等， 2005)，以加固后滑坡的安全系數(shù)變化情況來衡量加固效果，進而分析確定最優(yōu)的抗滑樁加固位置。

2 滑坡抗滑樁最優(yōu)加固位置分析驗證

為了進一步說明上述方法，這里以孔雀河中游河段的HP滑坡體為分析對象，對其計算分析過程進行說明。該滑坡的典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示?；虑熬壐叱虨?946～3965m，后緣高程約為4050m，縱向長度約80m，橫向最寬處達100m，自然坡度32°～41°，為順向坡?；麦w主要由堆積為主的塊石、碎石、礫石和砂土組成，塊石、碎石、礫石含量約78.30%，砂土含量約21.70%，鉆孔資料顯示土層結(jié)構(gòu)較密實，材料相對均勻?；驴偡搅考s30×104m3，堆積體下伏地層為奧陶系溝隴日組泥質(zhì)板巖(O2g)，弱風化，巖層走向與滑坡體滑動方向相當，板巖上部(20～30m)巖體較破碎，其下較完整，基巖表面存在不規(guī)則擦痕，分析破碎巖體與上部滑坡體活動破壞有關(guān)，堆積體下伏基巖面為滑坡體的底滑面，埋深18～28m，無次級滑動面?，F(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該滑坡在天然狀態(tài)下整體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 典型地質(zhì)剖面

2.1 計算分析模型及參數(shù)

采用FLAC3D進行數(shù)值模擬計算，考慮到數(shù)值分析模型邊界范圍對計算結(jié)果的影響(李寧等， 2018)，將模型的邊界范圍進行適當?shù)臄U展，如圖2所示，模型分成滑帶、滑體和滑床3層，對模型側(cè)面施加法向約束，底面施加固定約束。模型網(wǎng)格共有78729個單元，有84736個節(jié)點，參考以往的研究經(jīng)驗，抗滑樁采用實體單元進行模擬。計算過程中，滑坡巖土體采用莫爾-庫侖強度準則。據(jù)地質(zhì)勘察資料，天然狀態(tài)下滑坡巖土體和抗滑樁的物理力學參數(shù)的取值如表1所示。

圖2 滑坡計算模型圖

表1 巖土體及抗滑樁力學參數(shù)

2.2 滑坡應力場、位移場分布特征及優(yōu)化加固位置分析

計算得到加固前滑坡的應力水平分布圖、水平方向位移圖和塑性區(qū)分布圖如圖3～圖6所示。

圖3 滑坡應力水平分布圖

圖4 滑帶應力水平分布圖

圖5 滑坡水平方向位移圖

圖6 滑坡塑性區(qū)分布圖

綜合圖3～圖6可以看出，滑坡中下部區(qū)域的應力水平較高，總體在0.80以上，而且，滑帶中下部的高應力水平分布區(qū)域逐漸向滑坡后緣拓展有貫通趨勢。比較而言，滑坡中下部的高應力水平分布區(qū)域，與位移圖顯示的滑坡前緣變形較大的區(qū)域、塑性區(qū)分布區(qū)域均是一致的，這也進一步明確了該滑坡的變形破壞類型。

采用強度折減法求得該滑坡安全系數(shù)為1.07，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，需要進行加固。按照以往工程經(jīng)驗(Cai et al.，2000； Ausilio et al.，2001； 年廷凱， 2006)，對于誘發(fā)滑動區(qū)域在前緣的滑坡，抗滑樁應該布置在坡體的中下部，但為了達到最佳的加固效果，需要進一步定量地確定其具體的布置位置。一種思路，在坡體變形最大的區(qū)域進行加固，從圖4來看，滑坡中下部的變形較大，最大變形發(fā)生在x=402.00～408.00m的坡腳前緣表面； 另一種思路，也即本文的思路，在滑帶應力水平高的區(qū)域布置抗滑樁進行加固，從圖4可以看出，滑帶中下部的應力水平較高，其中x=388.27～393.27m區(qū)域的應力水平在0.95以上。綜合考慮這兩種思路，特在滑坡體x=315.77～403.27m區(qū)域設(shè)置抗滑樁進行加固，從左至右，共選取了12個布置位置(亦為坡面位移、滑帶應力水平觀測點對應的x方向坐標)進行加固效果對比分析，具體如表2和圖7所示。為了便于比較，不同位置抗滑樁嵌固段長度按樁長的1/3考慮(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組， 2006)，抗滑樁的力學參數(shù)按照表1取值。

表2 抗滑樁布置位置

圖7 抗滑樁樁位布置圖

2.3 不同位置抗滑樁加固效果分析

對表2所述的12個抗滑樁布置位置，采用強度折減法計算得到加固后滑坡的安全系數(shù)。為了更好地顯示加固前坡表位移、滑帶應力水平與最優(yōu)加固位置的相互關(guān)系，特將加固前坡面觀測點水平位移與不同樁位加固后滑坡的安全系數(shù)繪制如圖8所示，加固前滑帶觀測點應力水平與不同樁位加固后滑坡的安全系數(shù)繪制如圖9所示，同時，最優(yōu)加固樁位J處(x=393.27m，應力水平最高的位置)加固后滑坡的應力水平分布、塑性區(qū)分布分別如圖10～圖11所示。

圖8 加固前坡面觀測點水平位移與加固后滑坡安全系數(shù)

圖9 加固前滑帶觀測點應力水平與加固后滑坡安全系數(shù)

圖10 抗滑樁加固后的滑坡應力水平分布(x=393.27m)

圖11 抗滑樁加固后滑坡的塑性區(qū)分布圖(x=393.27m)

綜合圖8～圖11可以看出：

(1)加固后滑坡的安全系數(shù)與抗滑樁的布置位置關(guān)系密切，雖然抗滑樁均布置在滑坡體的中下部，但不同位置的加固效果差異明顯。其中：在x=310.00～360.00m區(qū)域，加固前滑帶的應力水平較低，抗滑樁加固后滑坡的安全系數(shù)提高不明顯； 在x=360.00～388.27m區(qū)域，加固前滑帶的應力水平快速增大，抗滑樁加固后滑坡的安全系數(shù)提高比較明顯，加固效果較好；x=388.27～393.27m區(qū)域，加固前為滑帶的高應力水平區(qū)域，抗滑樁加固后滑坡的安全系數(shù)明顯提高，達到1.27以上，加固效果最好； 在x=393.27～403.27m區(qū)域，為加固前坡面變形最大的區(qū)域，對應的應力水平也較高，但加固效果不是最好的，而且樁后土體存在越頂滑出的風險。

(2)對比分析發(fā)現(xiàn)，雖然在坡體表面位移大的地方進行加固，也可以取得較好的加固效果，但是圖8顯示的加固前位移最大區(qū)域和加固效果最好的位置并不完全對應，因此，基于滑坡位移場的分布還不能準確地確定抗滑樁最優(yōu)加固位置。值得注意的是，不同位置加固后滑坡的安全系數(shù)與加固前應力水平分布曲線呈明顯一致的變化規(guī)律，在高應力水平區(qū)域進行抗滑樁加固后，可以有效降低滑帶區(qū)域的應力水平，塑性區(qū)明顯減小且不再貫通，保證了滑坡中下部的穩(wěn)定性，從而提高了滑坡的整體穩(wěn)定性，這也很好地說明了根據(jù)滑坡滑帶的高應力水平區(qū)域確定其最優(yōu)加固位置是合理的。

(3)以往的研究中通常根據(jù)滑帶塑性區(qū)的貫通程度去判定滑坡的穩(wěn)定程度，也提出了在塑性區(qū)集中分布區(qū)域進行加固的思路，但是從圖6顯示的加固前塑性區(qū)分布范圍來看，滑帶中下部塑性區(qū)分布范圍較大且有貫通趨勢，據(jù)此也很難準確地確定優(yōu)化加固位置。

(4)這里也采用剛體極限平衡法計算了該滑坡的剩余下滑力分布規(guī)律，具體如圖12所示，最大剩余下滑力位置對應坐標為x=355.77m，在該位置布置抗滑樁加固后，計算得到滑坡安全系數(shù)為1.23，與前述方法確定的位置和達到的加固效果差別明顯，分析其原因是剛體極限平衡法無法考慮滑坡體自身的變形及其對滑坡穩(wěn)定性的影響。

圖12 滑坡剩余下滑力曲線

3 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)滑坡滑帶的應力水平分布規(guī)律及滑坡的變形破壞特征，提出了基于滑帶應力水平確定抗滑樁最優(yōu)加固位置的思路， 12個位置抗滑樁的加固效果對比分析表明，抗滑樁布置于滑帶應力水平高的區(qū)域時，可以有效降低滑帶區(qū)域的應力水平，改善滑帶的塑性區(qū)分布，提高滑坡的整體穩(wěn)定性，說明本文的方法是合理有效的。

(2)通過典型滑坡加固前后的應力水平、位移場和塑性區(qū)的分布圖對比分析發(fā)現(xiàn)：滑帶的高應力水平區(qū)域與滑坡顯著變形區(qū)域、塑性區(qū)分布具有較好的一致性，但是，與基于變形場分布和塑性區(qū)分布確定抗滑樁優(yōu)化加固位置的方法相比，本文基于滑帶的應力水平分布特征的分析方法，可以更準確、定量地確定滑坡的優(yōu)化加固位置，從而可以更好地發(fā)揮抗滑樁加固效果。

(3)論文以單根抗滑樁為例進行了優(yōu)化位置計算分析并得到了較好效果，在滑坡抗滑樁空間縱橫布置位置、間距優(yōu)化分析中如何應用，將在后續(xù)研究中進一步完善。