滑坡抗滑短樁的受力特性模擬研究

李乾坤，蔡 強(qiáng)，梁 炯，張 勇

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控工程技術(shù)創(chuàng)新中心，四川 成都 611734）

0 引言

抗滑短樁又稱埋入式抗滑樁，是在傳統(tǒng)抗滑樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為樁頂標(biāo)高低于滑坡體表面一定深度的抗滑樁［1］，適用于滑體強(qiáng)度明顯大于滑面強(qiáng)度的滑坡，且無淺層滑坡，僅需通過對滑帶及其附近的加固即可提高整體穩(wěn)定性?？够虡兑蚱鋭偠却蟆堕L短，其受力將大大降低，可顯著降低滑坡工程造價(jià)，是滑坡防治工程中一項(xiàng)重要的技術(shù)，近年來得到大量推廣和應(yīng)用［2］。

對于抗滑短樁，在其他條件不變情況下，樁長增加會逐漸提高滑體的穩(wěn)定系數(shù)，但會增加樁身受力，使其增加樁身截面面積才能發(fā)揮其承載能力，因此，增加樁長可能帶來較大的安全隱患和較高的工程造價(jià)［3］?？够虡赌軌蚺c樁周土體產(chǎn)生明顯的樁-土協(xié)同作用，在進(jìn)行抗滑短樁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮樁-土協(xié)同作用的情況，作用于樁身的剩余下滑推力比不考慮時(shí)減小約10%［4］。在抗滑短樁應(yīng)用過程中，抗滑短樁的樁頂標(biāo)高通常低于坡表標(biāo)高，可能會產(chǎn)生越頂現(xiàn)象，雷用等［5］對重慶云陽縣太公沱至余家包庫岸大咀段庫岸采用抗滑短樁治理的工程進(jìn)行了有限元分析，得出該段庫岸滑坡采用樁長12 m 的抗滑短樁支護(hù)，能夠滿足穩(wěn)定性要求。蔡強(qiáng)等［6］開展了鋼管抗滑短樁受力特性物理模型試驗(yàn)研究，得出鋼管短樁能發(fā)揮抗滑效果的樁長下限值，即鋼管抗滑短樁位于滑體中的長度應(yīng)不小于滑體厚度的2/3。曾紅艷等開展了抗滑短樁支護(hù)土坡的試驗(yàn)研究，研究了不同長度的抗滑短樁對土坡的支護(hù)作用機(jī)理，認(rèn)為在實(shí)際工程中應(yīng)聯(lián)合使用抗滑短樁與坡腳擋墻以同時(shí)加固深層土體及淺層坡土確保整個(gè)邊坡達(dá)到穩(wěn)定安全狀態(tài)［7］，同時(shí)建議對可能出現(xiàn)的越頂現(xiàn)象及淺層滑動，建議采用抗滑短樁聯(lián)合坡腳擋墻共同加固［8］。針對抗滑短樁加固邊坡產(chǎn)生的“越頂破壞”現(xiàn)象，李旭等［9］提出了抗滑短樁通過豎向植筋帶錨拉坡面網(wǎng)格梁兼顧淺層和深層防護(hù)的邊坡加固技術(shù)，并采用數(shù)值計(jì)算的方法對其進(jìn)行研究，得出抗滑短樁錨拉豎向植筋帶能夠承擔(dān)部分下滑推力，使降雨結(jié)束后邊坡從無加固時(shí)的失穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定狀態(tài)，有效避免了邊坡淺層土體“越頂破壞”現(xiàn)象的發(fā)生。陳權(quán)川等［10］揭示了抗滑鍵在含軟弱夾層緩傾順層巖質(zhì)邊坡中的承載性能與破壞模式?？够瑯抖虡对诨路乐喂こ虘?yīng)用較為廣泛，但工程技術(shù)人員在抗滑短樁設(shè)計(jì)時(shí)通常依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)定樁長和截面尺寸，缺乏一定的理論依據(jù)，導(dǎo)致抗滑短樁存在一定的安全隱患。因此，需要開展深入的抗滑短樁的承載機(jī)理研究，為抗滑樁樁長和截面尺寸等參數(shù)提供理論依據(jù)。

目前，滑坡抗滑樁工程主要采用數(shù)值模擬的方法，如大型有限元分析［11-16］。近年來，巖土工程中逐漸選擇更適宜于地質(zhì)巖土體分析的快速拉格朗日差分分析軟件（FLAC3D）［17-21］。FLAC3D程序采用顯示有限差分原理，采用快速拉格朗日算法可以模擬巖土體的三維力學(xué)行為，且該算法在計(jì)算中不形成剛度矩陣，不需要迭代滿足彈塑性應(yīng)變關(guān)系，僅需要通過應(yīng)變來計(jì)算應(yīng)力，因此對于大體積、劃分單元較多的非線性巖土體分析是較為適宜的［22-23］。

基于此，本文采用FLAC3D軟件，建立抗滑短樁加固滑坡的數(shù)值模型，分析滑坡模型變形特征以及抗滑短樁受力特性，進(jìn)一步揭示抗滑短樁加固滑坡的受力特征，提出合理的樁長范圍，研究成果對于抗滑短樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模型及參數(shù)

抗滑短樁加固滑坡的數(shù)值模型采用FLAC3D程序模擬?；履Ｐ停▓D1）尺寸為240×100×180 cm，由滑體、滑床和滑面組成，其中滑體和滑床采用FLAC3D自帶的四面體單元構(gòu)成，滑面由接觸面單元模擬?；w、滑床和滑面均服從Morh-Coulomb 破壞準(zhǔn)則［17］，模擬參數(shù)見表1。該滑坡數(shù)值模擬是根據(jù)已開展的物理模型試驗(yàn)［6］建立的，在物理模型中，滑床采用強(qiáng)度等級為42.5R 的水泥與黃粘土混合調(diào)配而成，用以模擬完整性較好的基巖層，水泥：黃粘土質(zhì)量比為1∶10，黃粘土的含水率約10%?；w土采用粉碎并篩分的砂巖條石與粉質(zhì)粘土充分?jǐn)嚢瓒?，保證粒徑＞2 mm 的顆粒質(zhì)量超過滑體土總質(zhì)量的50%，使滑體土有一個(gè)良好的級配。再根據(jù)滑體土的干濕程度對其含水率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將土體的含水率控制在10%～20%。滑床和滑體經(jīng)分層埋填、夯實(shí)之后，經(jīng)測試，得到滑坡模型計(jì)算參數(shù)。

表1 滑坡模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of the landslide model

圖1 滑坡網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model of the landslide

抗滑樁短樁由樁（Pile）單元模擬［18］，模擬參數(shù)見表2。為探究不同樁長l條件下的抗滑短樁承載機(jī)理，共設(shè)計(jì)6 種工況，樁長分別為無樁0、50、60、70、80 和90 cm，其中90 cm 為長樁，可用于對比抗滑短樁與長樁的加固的區(qū)別。對應(yīng)自由段樁長與滑體厚度比值為0、0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0?？紤]到抗滑短樁在滑體中的最短長度不宜小于滑體厚度的1/4，巖層嵌固段的深度不宜小于抗滑短樁總長的1/4［1］，錨固段長度為0.3l，抗滑樁直徑D為30 mm，為了消除土拱效應(yīng)，僅考慮單樁對邊坡加固的影響，通常產(chǎn)生土拱效應(yīng)的間距為（1～6）D，在本文中設(shè)定抗滑樁樁間距為30 cm＞6D=18 cm。

表2 樁單元計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of the pile

根據(jù)前期的模型試驗(yàn)，當(dāng)滑坡上方堆加的荷載達(dá)到94.95 kN 時(shí)滑坡開始出現(xiàn)變形破壞［6，24］，因此將滑坡上覆荷載設(shè)定為94.95 kN，滑坡頂部的面積為2.52 m2，換算成均布荷載為37.68 kPa，通過FLAC3D中面荷載對滑坡模型施加該荷載。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 模型整體位移分析

圖2 是抗滑短樁在相同滑坡荷載下，不同樁長條件下的滑坡位移云圖和位移矢量圖。由圖2可知：

圖2 不同樁長條件下滑坡模型位移云圖和矢量圖Fig.2 Displacement and vector plot of the landslide with different length fo pile

（1）在無樁條件下，滑體沿滑面失穩(wěn)破壞，楔形體前緣中部滑體剪出破壞（圖2a）。

（2）當(dāng)樁長為50 cm（圖2b）和60 cm（圖2c）時(shí)，滑體前緣上部形成貫通的滑面，對比無抗滑短樁的滑坡位移云圖可知，加固后的滑坡滑體僅頂部產(chǎn)生局部破壞。

（3）當(dāng)樁長為70 cm（圖2d）、80 cm（圖2e）和90 cm（圖2f）時(shí)，滑坡未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，滑坡土體僅在抗滑短樁后發(fā)生一定的變形，表明樁-土協(xié)同作用顯著。

（4）如圖3 所示，數(shù)值模擬記錄了滑體最大位移隨樁長的變化數(shù)據(jù)，圖中顯示，隨著樁長的增加，模型整體位移呈減小趨勢，但減小的幅度逐漸減小，表明增加抗滑短樁長度可增加滑坡穩(wěn)定性，但對滑坡穩(wěn)定性控制效果逐漸減弱。

圖3 滑坡模型最大位移變化Fig.3 The maximum displacement of landslide model

2.2 土體應(yīng)力分析

滑坡土體的應(yīng)力尤其樁周圍土體的應(yīng)力特征可用于分析樁-土協(xié)同作用情況，對于揭示抗滑短樁承載機(jī)理具有很大幫助。圖4 為滑坡模型在不同樁長條件下的應(yīng)力分布云圖。

圖4 滑坡土體應(yīng)力分布云圖Fig.4 Soil stress distribution of the landslide

如圖4 所示，圖中顯示了滑坡模型分別在無樁，樁長為50、60、70、80 和90 cm 時(shí)的土體應(yīng)力分布情況，由圖中所示的應(yīng)力分布情況可以得出以下結(jié)果：

（1）如圖4（a）所示，無樁時(shí)模型的最大土應(yīng)力集中于滑體前緣楔形體底部，這表明在無樁時(shí)滑體的抗滑阻力主要來自滑體前緣的阻滑段，結(jié)合模型位移圖可知，依靠滑體前緣的阻滑作用不能保持滑體的穩(wěn)定，在楔形體上部滑體會發(fā)生剪出破壞。

（2）設(shè)置抗滑短樁后，如圖4（b）～（f）所示，隨著樁長的增加，滑體內(nèi)阻滑部分明顯增加，樁-土協(xié)同作用的效果較好，樁與樁周土體整體性更好，能夠提供更大的阻滑力。

（3）隨著樁長的增加，樁后土壓力變化顯著，土壓力的分布更加均勻，當(dāng)樁長為50、60 和70 cm 時(shí)，樁體受力主要集中在樁頂附近，樁長為80 和90 cm時(shí)，樁體受力沿自由段均勻分布，樁體受力更加合理；其中樁長為80 cm 時(shí)，樁體受力最小。

2.3 樁體位移分析

圖5 是不同長度的抗滑短樁在相同的試驗(yàn)荷載作用下樁體位移矢量圖，圖5 可直觀地展示樁體各部分的位移大小，位移矢量的箭頭連線可以反映樁體的變形情況。

圖5 樁體位移矢量圖Fig.5 Displacement vector plot of the pile

（1）從圖5 可以看出，樁體的位移沿深度近似為倒梯形分布，樁體的中上部位移基本為矩形分布，靠近滑面位置為倒三角形分布，滑面以下位移基本為零。

（2）從圖5 的位移最大值可以發(fā)現(xiàn)，隨著樁長的增加，樁身的最大位移不斷增加，且樁身位移有向下移動的趨勢。

2.4 樁體彎矩分析

圖6 是抗滑短樁在相同滑坡參數(shù)下不同樁長時(shí)的樁體彎矩變化云圖，圖中灰色部分表示樁體受拉，為正彎矩，黑色部分表示受壓，為負(fù)彎矩。由彎矩云圖可知：

圖6 樁身彎矩云圖Fig.6 Bending moment contour of the pile

（1）樁身彎矩的分布受樁長影響明顯，隨著樁長的增加，樁身自由段正彎矩逐漸下移，而嵌固段負(fù)彎矩逐漸上移，并向滑面靠近.

（2）當(dāng)樁長為50 和60 cm 時(shí)，樁頂附近并沒有出現(xiàn)負(fù)彎矩，自由段樁身表現(xiàn)為受到滑坡推力作用，樁體表現(xiàn)為受正彎矩；當(dāng)樁長分別為70、80 和90 cm時(shí)，樁頂負(fù)彎矩范圍逐漸增大；樁長為50、60 cm 時(shí)，樁身彎矩分布主要集中在抗滑段，樁長為70、80、90 cm 時(shí)，樁身彎矩在樁體分布較為均勻，樁體處于合理受彎狀態(tài)，可避免因彎矩過于集中而發(fā)生破壞。

（3）樁體最大彎矩的變化如圖7 所示。圖7 顯示，樁長的增加導(dǎo)致樁身最大彎矩呈逐漸增大，樁長由50 cm 增加至70 cm 時(shí)，最大彎矩的幅值最大，但隨著樁長的持續(xù)增加，彎矩的增加幅度逐漸降低。

圖7 樁體最大彎矩隨樁長變化曲線Fig.7 Curve of the maximum bending moment of the pile with the length of pile

3 結(jié)論

（1）抗滑短樁可顯著提高滑坡的整體穩(wěn)定性，且隨著樁長的增加，滑體失穩(wěn)范圍逐漸減小，當(dāng)樁長＞60 cm 時(shí)，滑體處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明采用抗滑短樁治理滑坡是可行的。

（2）隨著樁長的增加，樁后土壓力分布趨于均勻，樁體受力情況也更為理想，其中以樁長為80 cm時(shí)，樁體受力最為理想。隨著樁長的增加，樁土共同作用效果更為明顯，抗滑短樁能調(diào)動更大范圍的土體共同形成阻滑段，提高滑體穩(wěn)定性。

（3）樁體位移隨樁長變化較為顯著，樁長為50和60 cm 時(shí)，樁體自由段和嵌固端分別有不同方向的位移產(chǎn)生，即樁體有發(fā)生轉(zhuǎn)動的趨勢，而當(dāng)樁長＞60 cm 時(shí)，樁體自身穩(wěn)定性較好，能夠充分發(fā)揮抗滑性能；

當(dāng)樁長為50 和60 cm 時(shí)，樁頂附近并沒有出現(xiàn)負(fù)彎矩，自由段樁身表現(xiàn)為受到滑坡推力作用，樁體表現(xiàn)為受正彎矩，當(dāng)樁長為70、80、90 cm 時(shí)，樁體彎矩在樁身范圍內(nèi)分布較為均勻，不存在彎矩過度集中的情況，樁體受力狀態(tài)明顯好于樁長為50 和60 cm 時(shí)。

（4）樁長的增加可提高滑體的穩(wěn)定性，有利于形成良好的樁-土協(xié)同作用效果，發(fā)揮樁周土體的抗滑作用，但隨著樁長的增加，樁體最大位移和最大彎矩均有不同程度的增大，因此在兼顧抗滑承載力和樁體合理受力的前提下，樁體自由段和滑體厚度比值為0.7～0.9 時(shí)，抗滑短樁加固滑坡的效果最為理想。