基于FLAC3D的水庫碎石土邊坡抗滑樁加固效果研究

劉 赟

（安徽維尼檢測科技有限公司，安徽合肥 230001）

0 引言

研究表明，學(xué)者們對于抗滑樁加固邊坡方面的研究取得了較豐富的成果，較少有學(xué)者將土拱效應(yīng)考慮到抗滑樁受力的計算中，應(yīng)用于實際工程。以某邊坡為研究對象，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對該邊坡在懸臂式抗滑樁加固前后的位移及內(nèi)力變化情況進行對比分析，研究結(jié)果對于碎石土邊坡的加固設(shè)計具有一定的參考意義。

1 工程概況

某庫岸碎石土堆積體邊長約195 m，寬約145 m，呈不規(guī)則的幾何狀，整體下部較寬。上部厚約15～25 m，下部厚度大，超過50 m，體積約42 萬方，自然坡度在20°～40°。坡體介質(zhì)為碎石土，下伏基巖為變質(zhì)砂巖夾板巖（圖1）。

圖1 邊坡剖面圖單位：m

2 邊坡數(shù)值模型建立

此文采用FLAC3D 軟件開展抗滑樁加固前后邊坡穩(wěn)定性變化的研究，巖土體參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡數(shù)值模型基本物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)邊坡斷面圖，建立的數(shù)值模型如圖2 所示，巖土體采用Brick 單元建立，為摩爾-庫侖模型，模型共計117 788 個單元，39 887個節(jié)點。x方向為邊坡傾向方向，y方向為邊坡走向方向，z方向為高程方向。為了更貼合實際工程，避免邊界效應(yīng)的影響，y 方向長度為15 m（3 倍樁間距）。模型底部施加固定約束，左右兩側(cè)施加x方向約束，前后兩側(cè)施加y方向約束。沿坡面布置3個位移監(jiān)測點A1、A2和A3，分別位于坡腳附近、邊坡中部和坡頂附近，以便具體對比加固前后的位移變化。

圖2 數(shù)值分析模型圖

使用FLAC3D三維建模時先作以下假定：①抗滑樁截面為矩形，且以實體樁模型進行數(shù)值模擬；②不考慮邊坡坡度及形態(tài)影響，將坡頂設(shè)置為平面；③不考慮滑面形態(tài)影響，將滑面設(shè)置為水平面，樁后滑坡推力分布形式設(shè)為矩形；④抗滑樁模型為單排實體樁模型，坡體和抗滑樁布置具有對稱性。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 未加固邊坡穩(wěn)定性

首先對邊坡未加固情況下的穩(wěn)定性進行分析，圖3（a）為邊坡水平位移云圖，由圖可知，坡體變形主要發(fā)生在上覆碎石土內(nèi)，整體表現(xiàn)為沿巖層分界面滑動。水平位移最大值出現(xiàn)在坡頂位置，約9.60 cm，隨著距坡腳距離的減小，水平位移值逐漸減小。由邊坡豎直位移云圖3（b）可知，與水平位移變化規(guī)律類似，在坡頂處豎直位移最大，約11.61 cm，下伏基巖由于重力作用也發(fā)生較小豎直位移。上述分析可知，邊坡高差大，在坡頂處由于重力作用會發(fā)生較大位移。

圖3 加固前后邊坡位移變化云圖

3.2 抗滑樁加固后邊坡穩(wěn)定性

據(jù)上述設(shè)計方法，在坡腳設(shè)置抗滑樁進行加固。在FLAC3D中采用Pile單元模擬抗滑樁，具體參數(shù)見表2。

表2 樁單元參數(shù)表

對邊坡設(shè)置抗滑樁后重新進行數(shù)值模擬，得到抗滑樁加固后邊坡的水平和豎直變形情況，結(jié)果表明，設(shè)樁后邊坡整體位移有一定程度降低，最大水平位移降低至1.80 cm左右，而最大豎直位移降低至1.50 cm 左右。通過上述分析可知，抗滑樁加固后，邊坡變形得到一定控制，穩(wěn)定性得到提高。

基于對比上述位移云圖的變化，可看出邊坡最大位移有一定程度降低，但是變化不顯著。通過在坡腳處、邊坡中部和坡頂附近布置的位移監(jiān)測點A1、A2 和A3，分析邊坡不同位置處加固前后的位移變化。

統(tǒng)計不同時間監(jiān)測點水平位移變化規(guī)律，顯示加固后位移值都有所下降，但在坡腳位置最為顯著，由15.70 mm 降低至9.80 mm，下降為60.20%；其次為邊坡中部，位移值由15.10 mm降低至13.90 mm，位移降低了8.60%；在坡頂位置，位移變化較小，由15.20 mm降至14.80 mm，變化率2.70%。

統(tǒng)計邊坡不同位置豎直位移變化，與水平位移變化規(guī)律類似，在坡腳處位移變化最大，由16.80 mm 降低至13.90 mm，變化率最大，下降了20.80%；邊坡中部豎直位移由9.18 cm 降低至8.39 cm，下降了9.40%；坡頂處豎直位移由21.20 mm降低至19.50 mm，下降了8.70%，對比可知，從坡頂?shù)狡履_，加固前后位移變化率成升高的趨勢。

通過上述位移變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，抗滑樁主要對坡腳處和邊坡中部的滑體加固效果較為顯著，而對于坡頂處的土體位移的限制不太明顯。主要原因為該邊坡屬于高邊坡，高差大，坡頂處土體在重力作用下極易向下滑動，即使設(shè)置了抗滑樁但對邊坡上部土體位移的限制作用也有限。實際加固方案中，該工程還通過在邊坡中上部設(shè)置錨索框架梁以及注漿等措施進行整體加固，以保證邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 抗滑樁內(nèi)力分析

將數(shù)值模擬和理論計算的抗滑樁剪力進行對比，結(jié)果顯示，剪力的變化規(guī)律基本一致，呈“S”型分布，存在2 個剪力極值點，正剪力極值點在滑面附近，負(fù)剪力極值點出現(xiàn)在滑面以下3 m附近。數(shù)值模擬得到的正剪力極值為2 080 kN，負(fù)剪力極值為-2 200 kN；理論計算得到的正剪力極值為1 633 kN，負(fù)剪力極值為-2 529 kN。正剪力極值誤差率為21.49%，而負(fù)剪力極值誤差率為13%。

根據(jù)上述分析可知，數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)得到的抗滑樁內(nèi)力變形規(guī)律基本相同，對比二者結(jié)果驗證了文章所提出的抗滑樁內(nèi)力計算公式的可靠性，該方法可為碎石土堆積體邊坡抗滑樁內(nèi)力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

4 結(jié)語

文章以某碎石土邊坡工程為研究對象，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，分析邊坡在加固后的位移及抗滑樁內(nèi)力變化情況，并對抗滑樁的支護效果進行評價，主要結(jié)論如下：①數(shù)值模擬結(jié)果表明，抗滑樁加固后，邊坡變形得到一定控制，最大水平位移降低至9.80 mm左右，而最大豎直位移降低至13.90 mm，邊坡穩(wěn)定性得到提高。②抗滑樁能減小該邊坡水平變形和豎直變形，且對坡腳處附近土體位移限制效果最好，邊坡經(jīng)支護加固后，位移相對支護前降低了48.40%。③將數(shù)值模擬得到的抗滑樁內(nèi)力結(jié)果與理論計算公式得到的結(jié)果比較，其中最大彎矩值誤差率為4.79%，剪力最大值誤差率為13%，結(jié)果較為一致。研究結(jié)果可用于碎石土堆積體邊坡抗滑樁的理論分析及工程設(shè)計。