某水庫順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁防護(hù)研究

張冬冬

（陜西省寶雞峽引渭灌溉中心，陜西 咸陽 712000）

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)以及交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，西部地區(qū)的交通工程建設(shè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，但西部地區(qū)因其復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，導(dǎo)致相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工均存在諸多問題，其中，層狀巖質(zhì)邊坡開挖導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的問題就是其中之一[1］。層狀巖質(zhì)邊坡根據(jù)其節(jié)理方向可分為順層巖質(zhì)邊坡與反傾巖質(zhì)邊坡，其邊坡破壞模式受眾多節(jié)理控制，破壞模式較為復(fù)雜，因此有必要對(duì)開挖過程中的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性的相關(guān)研究，討論是否需要進(jìn)行邊坡支擋以及使用何種支護(hù)形式。邊坡支護(hù)形式包括起支擋作用的擋土墻、抗滑樁和起錨固作用的系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿（索）等，在實(shí)際的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有時(shí)也會(huì)采用支擋與錨固共同作用的結(jié)構(gòu)類型，如錨拉樁、預(yù)應(yīng)力錨索框格梁等。其中抗滑樁在提高有顯著軟弱滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性上效果較好，常用于順層巖質(zhì)邊坡的支擋工程中[2］。本文以某一順層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際支擋工程為例，利用FLAC3D 軟件分析其自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性，討論抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程實(shí)例及計(jì)算模型

本文依托某水庫邊坡支擋工程，坡體順傾節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)定性較差，且因其臨近自然保護(hù)區(qū)，考慮環(huán)境因素，無法通過刷坡將邊坡放緩以提高邊坡穩(wěn)定性，故需進(jìn)行計(jì)算分析其邊坡穩(wěn)定性，討論是否需要進(jìn)行支擋。

利用FLAC3D 軟件建立計(jì)算模型并基于有限差分強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算。建立計(jì)算模型可在保證其符合工程實(shí)際情況的基礎(chǔ)上盡可能簡化其計(jì)算模型，本文考慮建立二維邊坡模型以簡化計(jì)算，故需在三維模型中選取最不利的邊坡剖面。對(duì)于該邊坡而言，其最大高度為35 m，其層面傾角基本一致，約為45°，故當(dāng)坡角與層面傾角相等時(shí)，邊坡穩(wěn)定性最差。建立計(jì)算模型見圖1。

圖1 計(jì)算模型示意圖

如圖1 所示，模型右側(cè)計(jì)算高度為65 m，左側(cè)計(jì)算高度為30 m，即邊坡最大計(jì)算高度為35 m，計(jì)算模型采用理想彈塑性模型作為本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。模型的力學(xué)參數(shù)選取見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)取值

2 自然條件下邊坡的穩(wěn)定性分析

根據(jù)FLAC3D 的計(jì)算結(jié)果，利用有限差分強(qiáng)度折減法，得到邊坡在自然工況下邊坡在自然工況下的安全系數(shù)為1.12，邊坡最危險(xiǎn)剖面達(dá)到臨界破壞狀態(tài)下的位移趨勢以及潛在滑動(dòng)面見圖2 和圖3。

圖2 臨界破壞狀態(tài)下的邊坡位移趨勢圖（放大系數(shù)：100）

圖3 臨界破壞狀態(tài)下的潛在滑動(dòng)面分布

由圖2 和圖3 可知，當(dāng)邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，邊坡沿潛在滑動(dòng)面有明顯的滑動(dòng)趨勢，潛在滑動(dòng)面的位置主要位于全風(fēng)化片麻巖巖層內(nèi)部以及全風(fēng)化片麻巖與強(qiáng)風(fēng)化片麻巖巖層交界處，潛在滑動(dòng)面大體呈圓弧狀，深度約在坡表下6 m～13 m 之間。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD 30-2015）[3］的要求，邊坡在一般工況下安全系數(shù)不小于1.15，因此，對(duì)于該邊坡在自然工況下的安全系數(shù)為1.07 這種情況，必須對(duì)邊坡進(jìn)行工程支護(hù)，使其滿足規(guī)范要求。

3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)在自然工況條件下原始邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于該順層巖質(zhì)邊坡，其潛在滑動(dòng)面傾角與層面傾角近乎相等，破壞模式即為在達(dá)到臨界破壞狀態(tài)后，邊坡沿潛在滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)破壞。對(duì)于此類型的邊坡，常用的支護(hù)方法是在邊坡潛在滑動(dòng)面中下部的位置設(shè)置抗滑樁[4］。

在坡體中下部設(shè)計(jì)抗滑樁結(jié)構(gòu)，樁身截面尺寸為1.8 m×2.4 m，長度16 m，共計(jì)16 根。在樁身上部布設(shè)兩根錨索，長度為25 m，傾角為25°，錨固段長度為10 m。

3.2 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

分別對(duì)有無抗滑樁兩種情況的開挖邊坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.2.1 應(yīng)力

由圖4 所示，當(dāng)邊坡開挖后，對(duì)于無抗滑樁的情況，邊坡的開挖位置附近拉應(yīng)力區(qū)明顯增大，形成大面積的塑性區(qū)，即將達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。對(duì)于有抗滑樁支護(hù)的情況，邊坡應(yīng)力分布均勻，未出現(xiàn)大面積的拉應(yīng)力區(qū)，說明抗滑樁對(duì)于減小開挖過程中邊坡內(nèi)部的拉應(yīng)力，提高邊坡的穩(wěn)定性有顯著作用。

圖4 邊坡應(yīng)力分布圖

3.2.2 位移

由圖5 所示，當(dāng)邊坡開挖后，對(duì)于無抗滑樁的情況，開挖位置附近位移區(qū)面積增大，而有抗滑樁支護(hù)的情況邊坡整體位移量保持較低水平。對(duì)比圖5 可知，抗滑樁對(duì)于減小邊坡開挖產(chǎn)生的位移有非常明顯的效果，抑制順層巖質(zhì)邊坡沿層面發(fā)生滑動(dòng)。同時(shí)，抗滑樁還會(huì)使臨近樁體的巖土體位移方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨著坡體臨近抗滑樁，位移方向逐漸由沿層面向下轉(zhuǎn)向水平向前，垂直于樁體，這樣更有利于提升邊坡穩(wěn)定性。

圖5 邊坡位移分布圖

3.2.3 剪應(yīng)變率增量

剪應(yīng)變率增量可以反應(yīng)邊坡變形趨勢，剪應(yīng)變率增大區(qū)常?？蓪⑵湟暈闈撛诨瑒?dòng)面。由圖6 所示，當(dāng)邊坡開挖后，對(duì)于無抗滑樁的情況，邊坡形成大面積的剪應(yīng)變率增大區(qū)，表明其潛在滑動(dòng)面已經(jīng)形成。而對(duì)于有抗滑樁支護(hù)的情況，邊坡整體剪應(yīng)變率增量保持較低水平，邊坡未形成潛在滑動(dòng)面，表明抗滑樁可以阻止邊坡的塑性變形以及塑性區(qū)的形成，提高邊坡穩(wěn)定性。

圖6 邊坡剪應(yīng)變?cè)隽糠植紙D

3.3 樁體深部位移

在有抗滑樁支護(hù)的情況下，在對(duì)應(yīng)2 號(hào)孔的位置處，坡面下2 m、6 m 和10 m 分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)以監(jiān)測不同時(shí)間深部水平方向的位移。結(jié)果見圖7。早期的位移變化較為明顯，隨著時(shí)間的延長位移變化逐漸趨于穩(wěn)定，且Y 方向上的位移量明顯小于X 方向，抗滑樁支護(hù)下的邊坡有著良好的穩(wěn)定性。

圖7 深部位移監(jiān)測

4 結(jié)論

為研究順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性和破壞機(jī)制，以及抗滑樁在順層巖質(zhì)邊坡上的支護(hù)效果，本文以順層巖質(zhì)邊坡的實(shí)際支擋工程為例，基于有限差分強(qiáng)度折減法，利用FLAC3D 軟件分析其自然狀態(tài)下的穩(wěn)定性，討論抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。所得結(jié)論如下：

（1）順層巖質(zhì)邊坡在達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，其潛在滑動(dòng)面一般呈圓弧形沿層面方向分布，對(duì)于有明顯軟弱滑動(dòng)面順層巖質(zhì)邊坡，常用的支護(hù)方法是在邊坡潛在滑動(dòng)面中下部的位置設(shè)置抗滑樁。

（2）抗滑樁可以減小開挖過程中邊坡內(nèi)部的拉應(yīng)力，減小邊坡內(nèi)部的位移量以及使臨近樁體位置的位移方向發(fā)生偏移，阻止邊坡的塑性變形以及塑性區(qū)的形成，進(jìn)而阻止滑動(dòng)面的形成。從而有效提高順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。