抗滑樁對降雨型滑坡加固效應(yīng)分析

邵莎莎

（山東臨沂水利水電建筑安裝公司,山東 臨沂 276000）

滑坡災(zāi)害是我國及世界范圍內(nèi)山區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害,由于其突發(fā)和規(guī)模較大的特點(diǎn),通常會(huì)帶來巨大的損失。隨著山區(qū)人口密度和基礎(chǔ)建設(shè)日益繁榮,邊坡的穩(wěn)定性問題也成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其中降雨型滑坡又是滑坡類型的最重要的一種。魏巍等[1]基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了降雨型滑坡的入滲特征及抗滑樁加固穩(wěn)定性。研究表明,考慮降雨入滲比不考慮降雨入滲時(shí),邊坡坡腳的穩(wěn)定性更差,實(shí)際工程中,抗滑樁的最優(yōu)位置應(yīng)布置于坡中和坡腳位置。李寧等[2]基于Geostudio數(shù)值計(jì)算軟件,系統(tǒng)地研究了降雨條件下抗滑樁邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明,抗滑樁的對邊坡的加固效果隨抗滑樁的間距減小而增大。對于降雨型滑坡,抗滑樁的最優(yōu)位置應(yīng)布置在坡腳,且增大抗滑樁的長度可以提高樁的加固效果。李寧等[3]基于ABAQUS二次開發(fā),系統(tǒng)地研究降雨條件下抗滑樁邊坡三維穩(wěn)定性。結(jié)果表明,過小的樁間距一方面可以提高樁的加固效果,另一方面不利于雨水排泄。在不考慮降雨條件下,抗滑樁布置于邊坡中部時(shí),抗滑效果最優(yōu)。蘭素戀等[4]、郭宏偉[5]等基于三維仿真數(shù)值模擬,系統(tǒng)地分析了某鐵路邊坡降雨入滲條件下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,在對于降雨型滑坡而言,抗滑樁對邊坡的穩(wěn)定性有很大的改善作用,抗滑樁可以有效減小邊坡位移,保證邊坡的穩(wěn)定性。王成湯等[6]基于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬系統(tǒng)地研究了錨索抗滑樁加固堆積型滑坡的受力特性。結(jié)果表明,錨索抗滑樁的加固效果顯著由于普通抗滑樁的加固效果。

本文基于某典型降雨型邊坡,采用數(shù)值有限元研究降雨型邊坡非飽和滲流過程,分析雨強(qiáng)及基質(zhì)吸力及樁頂約束對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

以某均質(zhì)土坡為研究對象建立數(shù)值模型見圖1。假定土體是均勻的砂土。計(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型邊界條件為：左右兩邊約束水平位移,底部固定三個(gè)方向的位移,頂部為自由滲流邊界?？够瑯段挥谶吰轮胁?樁距坡頂水平距離為7.5 m,截面尺寸為方形樁,邊長為0.8 m,長度為15 m。土體計(jì)算本構(gòu)采用摩爾-庫倫模型,樁采用均質(zhì)線彈性本構(gòu),其中樁土截面采用接觸單元模擬,樁土接觸面的參數(shù)見表1。計(jì)算中,假定初始降雨強(qiáng)度為60 mm/d,降雨持續(xù)總時(shí)間為6 d。

圖1 邊坡數(shù)值模擬示意圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 孔隙水壓力的變化規(guī)律

圖2為不同降水時(shí)長下邊坡的孔隙水壓力的變化情況。結(jié)果表明,隨時(shí)間增大,坡體內(nèi)部的濕潤鋒逐漸由表面向內(nèi)部推進(jìn)。等值孔隙水壓力呈現(xiàn)出環(huán)狀分布形式。其中在降雨開始階段,由于土體的飽和度較低,入滲能力較強(qiáng),因此雨水入滲的較快,基質(zhì)吸力減小的速度較快。此外,當(dāng)降雨時(shí)長達(dá)到3 d時(shí),坡面土體達(dá)到飽和狀態(tài),基質(zhì)吸力減小為0,坡面出現(xiàn)積水并形成徑流。進(jìn)一步隨著降雨的增大,坡面土體的飽和區(qū)隨之?dāng)U大,地下水上升。

圖2 邊坡孔壓隨降雨的變化趨勢圖（單位：kPa）

圖3為邊坡位移隨降雨時(shí)長的變化趨勢。結(jié)果表明,當(dāng)降雨時(shí)長為1 d時(shí),邊坡的位移為5.7 mm,當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間為2 d時(shí),邊坡的位移增大至6.5 mm,當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間為3 d時(shí),邊坡的位移增大至6.8 mm,當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間為4 d時(shí),邊坡的位移增大至7 mm,當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間為5 d時(shí),邊坡的位移增大至8.5 mm,降雨持續(xù)時(shí)間為6 d時(shí),邊坡的位移增大至10.5 mm。此外,當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間大于4 d時(shí),邊坡位移隨降雨持續(xù)時(shí)間的增大,變化速率增大更明顯。也證明,邊坡失穩(wěn)的可能性更大。根據(jù)圖4的結(jié)果可以看到,降雨時(shí)間由1 d增大至6 d后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.45減小至0.95。

圖3 邊坡位移隨降雨時(shí)長的變化趨勢

圖4 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律

2.2 雨強(qiáng)對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖5為降雨時(shí)間對邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,在降雨強(qiáng)度為40 mm/d、80 mm/d、120 mm/d、160 mm/d和200 mm/d的工況下,邊坡的穩(wěn)定性隨降雨強(qiáng)度的增大而減小。此外,當(dāng)降雨強(qiáng)度超過120 mm/d時(shí),降雨強(qiáng)度對邊坡的穩(wěn)定性影響基本忽略不計(jì)。這是因?yàn)?當(dāng)雨強(qiáng)小于巖土體的滲透系數(shù)時(shí),雨水入滲程度較大。邊坡穩(wěn)定性降低較快,當(dāng)雨強(qiáng)大于邊坡巖土體的滲透系數(shù)時(shí),降雨入滲程度減弱,大部分降雨不會(huì)入滲至坡面內(nèi)部,而是形成地表徑流排出,從而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性隨降雨強(qiáng)度的影響逐漸減弱[1]。根據(jù)結(jié)果看出,當(dāng)降雨強(qiáng)度為40 mm/d時(shí),降雨時(shí)長增大6 d后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.45降低至1.39,當(dāng)降雨強(qiáng)度為80 mm/d時(shí),降雨時(shí)長增大6 d后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.45降低至1.20,當(dāng)降雨強(qiáng)度為120 mm/d時(shí),降雨時(shí)長增大6 d后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.45降低至1.08,當(dāng)降雨強(qiáng)度為160 mm/d時(shí),降雨時(shí)長增大6 d后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.45降低至0.95,當(dāng)降雨強(qiáng)度為200 mm/d時(shí),降雨時(shí)長增大6 d后,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)由1.45降低至0.94。

圖5 降雨時(shí)間對邊坡穩(wěn)定性的影響

2.3 基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步研究邊坡基質(zhì)吸力對坡體穩(wěn)定性的影響,本文以降雨強(qiáng)度為160 mm/d為例,分析選擇4種不同的工況下基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響。工況1為坡體不加固且不考慮基質(zhì)吸力；工況2為坡體不加固但考慮基質(zhì)吸力；工況3為坡體加固但不考慮基質(zhì)吸力；工況4為坡體加固且考慮基質(zhì)吸力。計(jì)算得到不同4種工況下,基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響見圖6。結(jié)果表明,對于工況1而言,無降雨時(shí),邊坡的穩(wěn)定系數(shù)小于1,證明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對比工況2和工況3,可以發(fā)現(xiàn),工況2的邊坡穩(wěn)定性大于工況3的穩(wěn)定性。從以上分析可以看出,基質(zhì)吸力對邊坡的穩(wěn)定性影響較大。對比工況2和工況4發(fā)現(xiàn),當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間小于3 d時(shí),工況4的邊坡穩(wěn)定性顯著大于工況2的。這是因?yàn)椤．?dāng)降雨時(shí)間大于4 d后,邊坡發(fā)生很大的位移。樁土接觸位置處發(fā)生鮮顯著的剪切變形,導(dǎo)致抗滑樁阻滑作用降低[7-8]。

圖6 基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響

2.4 樁頂約束形式對邊坡穩(wěn)定性的影響

實(shí)際工程中,抗滑樁的樁頂一般為自由約束。當(dāng)樁頂位移過大時(shí),可采用錨拉樁的形式減小樁頂位移。本文研究了樁不同的約束形式下樁體位移的變化規(guī)律見圖7。結(jié)果表明,在降雨強(qiáng)度為160 mm/d工況下,未降雨和降雨結(jié)束后,樁頂位移隨深度表現(xiàn)出兩頭小中間大的趨勢。當(dāng)樁頂鉸接時(shí),樁頂最大位移明顯小于樁頂自由情況。此外,圖8為樁頂約束對邊坡穩(wěn)定性的影響,可以看到,鉸接工況下邊坡的穩(wěn)定性顯著高于樁頂自由工況。對于自由工況下的樁頂而言,隨降雨持續(xù)時(shí)間的增大,穩(wěn)定系數(shù)由1.45降低至0.95,而對于鉸接工況下的樁,邊坡穩(wěn)定系數(shù)由1.71降低至1.22。

圖7 樁頂約束對樁位移的影響

圖8 樁頂約束對邊坡穩(wěn)定性影響

3 結(jié)論

（1）降雨持續(xù)入滲的過程中,邊坡濕潤前鋒逐漸由坡面向坡體內(nèi)部推進(jìn)。隨著土體飽和度的增大,土體的基質(zhì)吸力顯著降低,當(dāng)降雨持續(xù)增加到一定時(shí)長時(shí),坡面出現(xiàn)飽和區(qū),基質(zhì)吸力消失為0。

（2）隨著降雨的入滲,邊坡坡腳位移有增大的趨勢,進(jìn)一步當(dāng)降雨持續(xù)增大至4 d時(shí),坡腳位移變化速率顯著增大,穩(wěn)定性顯著降低,邊坡有失穩(wěn)的可能性。

（3）邊坡的穩(wěn)定性隨降雨強(qiáng)度的增大而減小,當(dāng)雨強(qiáng)大于土體滲透系數(shù)時(shí),雨強(qiáng)對邊坡穩(wěn)定性影響較小,當(dāng)雨強(qiáng)小于土體滲透系數(shù)時(shí),雨強(qiáng)對邊坡穩(wěn)定性影響非常顯著。此外,采用錨拉形式的抗滑樁對邊坡的加固效應(yīng)明顯優(yōu)于普通抗滑樁。