地質(zhì)災(zāi)害治理中抗滑樁布局優(yōu)化方法研究

張來功

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510800）

1 概述

滑坡是我國較為常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，對滑坡體的治理是較為關(guān)鍵的工作，而抗滑樁由于其工程量小、抗滑效果好等優(yōu)點被工程單位較為廣泛使用，在抗滑樁的布置中，合理地布置抗滑樁位置可以提高抗滑樁的抗滑效果、減小工程造價、提高抗滑樁性能。

對于抗滑樁最優(yōu)位置的確定，相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并取得了較為豐碩的成果：年廷凱等[1]通過構(gòu)建三維數(shù)值分析模型，分析得出抗滑樁的最佳布置位于滑坡體的中下部；王聰聰?shù)萚2]分析了樁體自身的參數(shù)對提升滑坡體穩(wěn)定性的影響，并分析抗滑樁的參數(shù)對抗滑樁最優(yōu)位置確定的影響；李家平等[3]采用極限平衡法分析樁體的最佳布置方案；戴自航等[4]利用傳遞系數(shù)法分析抗滑樁的最佳布置位置，并對得到的最優(yōu)位置進(jìn)行驗證；譚捍華等[5]通過能量法分析抗滑樁樁體的布置方案，分析得出在滑坡體的中下部布置抗滑樁效果最佳；Gong等[6]分析得出在邊坡坡腳位置布置抗滑樁對滑坡體的穩(wěn)定性影響最大；Fang等[7]對多滑帶邊坡建立有限元數(shù)值分析模型，分析不同位置抗滑樁的布置對滑坡體參數(shù)的影響；Pan等[8]對不同位置抗滑樁的影響作用進(jìn)行了研究，得出較為普遍的抗滑樁布置位置。

基于前人的研究基礎(chǔ)，研究結(jié)合韶關(guān)市某滑坡體治理工程為研究對象，建立FLAC 3D數(shù)值分析模型，分析滑坡體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，并結(jié)合滑坡體的應(yīng)力應(yīng)變確定抗滑樁的最優(yōu)布置點。

2 工程概況

本研究以韶關(guān)市仁化縣董塘鎮(zhèn)五一村老凡口組滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程為研究對象，該邊坡未采取任何支護(hù)加固措施或系統(tǒng)性截排水措施，存在潛在滑動面。為了防止發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害將對坡腳居民及財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，計劃采取工程治理措施進(jìn)行防護(hù)?；聨У耐馏w構(gòu)成主要包括塊石、碎石、礫石和砂土，砂土含量約占21.60%，塊石、碎石和礫石含量約占78.40%，該滑坡帶土體組成成分分布均勻。根據(jù)地質(zhì)資料顯示該滑坡土體地質(zhì)帶處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，需要對其進(jìn)行加固處理。

3 建立模型

對該滑坡區(qū)段建立FLAC 3D數(shù)值分析模型，對滑坡體及進(jìn)行分層，分為滑帶、滑體和滑床三層滑坡體結(jié)構(gòu)，模型結(jié)構(gòu)的邊界條件為：在模型地面施加固定約束，在模型兩側(cè)施加法相約束。該模型共有84720個單元節(jié)點，將該模型劃分為78710個單元，滑坡模擬過程中采用M-C理論，抗滑樁樁體采用實體單元結(jié)構(gòu)。根據(jù)勘測設(shè)計資料，模擬過程中模型結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)性質(zhì)

4 抗滑樁布置方案設(shè)計

4.1 滑坡體應(yīng)力、位移及加固位置優(yōu)化分析

圖1、圖2分別為滑坡體的水平方向應(yīng)力水平、塑性區(qū)分布圖，由圖分析可得：該滑坡體的底部應(yīng)力水平較高，在滑坡中下部區(qū)域存在高應(yīng)力水平區(qū)，且有向兩側(cè)擴(kuò)展的變化趨勢。對于滑坡中下部區(qū)域存在高應(yīng)力水平區(qū)。

圖1 滑坡體應(yīng)力水平

圖2 滑坡體塑性區(qū)分布圖

該滑坡體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.06，表明該滑坡體處于臨界破壞狀態(tài)，因而需要對該滑坡體采取工程防護(hù)措施進(jìn)行加固，由于該滑坡體的滑坡面位于坡體前緣，因而需要將抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在滑坡體的中下部位置，但在中下部位置的不同點布置抗滑樁對于防護(hù)的效果是不同的，因而需要對抗滑樁的布置點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計從而使得抗滑樁的工程效果達(dá)到最佳。對于抗滑樁布置點的選取，主要有兩種方法進(jìn)行設(shè)計布置：①在塑性區(qū)集中的位置布置抗滑樁從而進(jìn)一步減小土體的位移量；②在滑帶應(yīng)力水平較高的位置布置抗滑樁，在滑帶的中下部位置應(yīng)力水平相對其它位置較高，尤其是水平向X坐標(biāo)為383.26～393.26m的滑帶位置應(yīng)力水平較大，均大于0.95。綜合考慮以上兩種布置抗滑樁的方案，在水平向X坐標(biāo)為315.76～403.26m從坡體左側(cè)向右側(cè)布置抗滑樁，共計選取12個抗滑樁位置點，分布規(guī)律如表2所示，抗滑樁的嵌固長度為樁長的1/3，樁體結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)選取如表1所示，同時采用不同抗滑樁布置方案的加固效果進(jìn)行對比分析從而驗證該方案的可行性。

表2 抗滑樁分布規(guī)律

4.2 不同抗滑樁布置方案加固效果分析

對于不同位置的抗滑樁采用強(qiáng)度折減法分別分析每個抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)值，分別將加固前坡面觀測點水平位移、每個抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)繪制如圖3所示，加固前滑帶觀測點應(yīng)力水平、每個抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)繪制如圖4所示，計算出最優(yōu)加固位置后，最優(yōu)加固位置J點加固后的塑性區(qū)分布如圖5所示，這樣可以更好地反映每個抗滑樁的加固對X方向應(yīng)力水平、位移、塑性區(qū)分布的影響。

圖3 加固前坡面觀測點水平位移以及每個抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)

圖4 加固前滑帶觀測點應(yīng)力水平以及每個抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)

圖5 最優(yōu)位置抗滑樁加固后滑坡體塑性區(qū)分布

對比分析圖3、圖4、圖5可以分析得出：

(1)抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)的主要影響因素是抗滑樁布置的位置，雖然抗滑樁均分布在滑帶的中下部位置，但不同的X向坐標(biāo)值對于滑坡體的影響作用效果也是不相同的，比較分析每一段X向坐標(biāo)的區(qū)段：①在X=310.00～360.00m區(qū)段范圍內(nèi)，加固前滑帶觀測點應(yīng)力水平處于較低水平，但抗滑樁的加固對于安全系數(shù)的提升效果較低；②在X=360.00～388.26m區(qū)段范圍內(nèi)，加固前滑帶觀測點應(yīng)力水平處于快速增長的變化趨勢，抗滑樁的加固對于安全系數(shù)的提升效果明顯，使得滑坡土體的穩(wěn)定性快速提升；③在X=388.26～393.26m區(qū)段范圍內(nèi)，加固前滑帶觀測點應(yīng)力水平處于高應(yīng)力水平，抗滑樁的加固對于安全系數(shù)的提升效果非常明顯，達(dá)到了最大值1.28，加固效果在所有區(qū)段中最好；④在X=393.26～403.26m區(qū)段范圍內(nèi)，加固前滑帶觀測點應(yīng)力水平較高，且變形區(qū)域是幾個區(qū)段中最大的，但抗滑樁的加固效果一般，樁后土體存在越過抗滑樁向下滑動的可能。

(2)對比分析圖3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于根據(jù)加固前坡面觀測點水平位移進(jìn)行布置抗滑樁可以有效加固滑坡土體，但圖中的加固前坡面觀測點水平位移及每個抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)增大減小的點并不完全相同，在變形最大的點加固效果并不是最好的，因而根據(jù)加固前坡面觀測點變形進(jìn)行布置抗滑樁并不是最優(yōu)的方案。對比分析圖4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，加固前坡面觀測點應(yīng)力水平與抗滑樁加固后滑坡體的安全系數(shù)的變化趨勢基本相同，且在高應(yīng)力水平的區(qū)域布置抗滑樁可以有效減小水平方向應(yīng)力、水平位移及塑性區(qū)的大小，進(jìn)而提升滑坡體的穩(wěn)定性，因而根據(jù)固前滑帶觀測點應(yīng)力水平進(jìn)行布置抗滑樁是較好的方案。

(3)在實際工程中也經(jīng)常依據(jù)滑帶塑性區(qū)的貫通程度較為集中的區(qū)域進(jìn)行抗滑樁的布置，但依據(jù)圖2中的塑性區(qū)分布范圍顯示，在滑帶區(qū)塑性區(qū)貫通的區(qū)域面積較大，因而依據(jù)滑帶塑性區(qū)的貫通程度布置抗滑樁難以準(zhǔn)確確定具體哪個滑帶塑性貫通為主要貫通區(qū)。

5 結(jié)論

本研究以韶關(guān)市仁化縣董塘鎮(zhèn)五一村老凡口組滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程為研究對象，對滑坡體建立FLAC 3D數(shù)值分析模型分析滑坡體的水平方向應(yīng)力水平、位移、塑性區(qū)分布以及滑帶位置水平應(yīng)力分布，并分析抗滑樁的最佳布置點，主要得到以下結(jié)論：

(1)依據(jù)滑坡體的水平方向應(yīng)力水平、位移、塑性區(qū)分布以及滑帶位置水平應(yīng)力分布提出了布置12個抗滑樁對滑坡土體進(jìn)行加固。

(2)相較于依據(jù)滑坡體的水平方向應(yīng)力水平、位移、塑性區(qū)分布布置抗滑樁，依據(jù)滑帶位置水平應(yīng)力分布布置抗滑樁可以更有效地提高滑坡土體的穩(wěn)定性，確定出最優(yōu)方案。

(3)抗滑樁的布置可以有效減小滑坡體的水平方向應(yīng)力水平、位移以及滑帶位置水平應(yīng)力，縮小滑坡體的塑性區(qū)域面積。