库岸边坡抗滑桩上滑坡推力数值分析

辛亚辉，熊启东，李成芳

（1重庆大学土木工程学院 重庆 400045 2重庆市建筑科学研究院 重庆 400015）

1 引言

库水位变化对库岸边坡岩土体产生的力学效应，体现在以下几个方面：

一是滑坡岩土体软化，即抗剪强度降低。水库蓄水后，一方面岩土体饱水软化，由于水的润滑作用，土体颗粒间的摩阻系数及胶结能力降低，边坡潜在滑动面抗剪参数C、Φ降低，进而降低了坡体的抗滑力；另一方面，当水库运行时，库水位反复升降，使得坡体内出现循环的渗流作用，地下水渗流对坡体产生溶滤作用，即细小颗粒在地下水的作用下发生运移，坡体出现侵蚀现象，坡体潜在滑动面出现细观或宏观上的孔穴，从而使得潜在滑动面的抗剪强度降低。

二是浮托力。水位上升阶段，浸没于库水中的岩土体受到水的浮托作用，减小了滑体的有效重量，降低了滑面的阻滑力，在库水位陡降时，岩土体由于浮托力消失而有效重度增加，导致坡体失稳破坏。

三是渗透力。水位陡降引起岩土体内地下水渗流运动而产生渗透力是导致边坡失稳的一个重要因素。库水位陡降时，存在于库岸边坡岩土体中的地下水，其水位下降有一定的滞后，此时在边坡中就产生渗透水压力，造成边坡稳定性降低，容易诱发库岸滑坡，特别是库岸边坡透水性小的时候，这种影响就更加明显。

库水位变化，造成滑坡推力发生变化，进而影响着抗滑桩的内力与变形，而这种推力的变化对抗滑桩支挡结构的安全有多大影响，国内外研究尚不充分。本文通过一工程案例，采用有限元数值分析方法，对这一课题进行探讨。

2 工程案例概况

重庆三峡库区某滑坡治理工程，位于长江岸边，滑坡后缘具有明显的圈椅状地形，滑坡后壁地貌清晰，高程320～250m，地形坡度约400，出露强风化紫红色粉砂质泥岩，滑体后部为滑坡平台，坡度约80。高度220m以下为坡度170的斜坡，其中高度175m有一缓坡台阶。滑体前缘剪出口位于长江河漫滩之上，高程约为146m。滑体的主滑方向为1500～1700，滑动面平均坡度200左右，滑体厚度在8～28m之间，其后缘平台及中部厚度较大，前缘相对较薄，滑体面积12万平方米，总方量300万立方米，属于大型滑坡。

该滑坡体的地层岩性为:斜坡体表面为碎石土，由灰岩、泥灰岩块石、碎石组成，块石直径20～100cm，呈棱角状，结构松散～稍密，稍湿。碎石土之下为粉质粘土，坡积成因，位于滑面上则成为滑带土，可塑状～硬塑状，含不均匀分布的泥岩碎石，土质较均匀。粉质粘土之下为泥岩。

3 数值分析

3.1 计算参数

选取一典型地质剖面如图1所示，其中，抗滑桩的截面为3.0×4.Om，桩长为33m，滑面以上桩长为20m。滑坡体主要岩土参数如表1所示。

图1 滑坡体主滑方向典型地质剖面图

表1 滑坡体计算参数

3.2 模型建立

利用ANSYS软件的前处理建模型。由于垂直于典型剖面方向比较长，整个模型按理想弹塑性体的平面应变问题处理，所以采用有限元的单元类型：碎石土(滑体)和粉砂质泥岩(滑床)均为“Quad 8node 82”单元，粉质粘土(滑带)和抗滑桩为“Quad 4node 42”单元。岩土体本构模型采用Drucker-Prager模型。计算模型中采用的位移边界条件为：左右边界为水平向约束，底边界为水平、垂直两向约束，坡面为自由约束。有限元划分时采用4结点4边形单元和3结点3角形单元，有限元模型如图2所示。考虑到地表降雨和地下水渗入到滑坡导致滑坡体浸水面积增加，滑动面上的有效应力降低，部分滑带饱水后抗剪强度降低的影响。ANSYS分析中，用强度折减法来考虑这一因素对滑坡的影响，即假定抗剪强度的内摩擦角和粘聚力进行折减，即

3.3 计算结果分析

图2 有限元计算模型

ANSYS分析时，库水位作用下的滑坡推力变化情况分三种工况进行计算，分别得到了各工况下滑体的位移云图及推力分布云图，计算结果如下：

（1）第一种工况：自重+库水位145m

ANSYS计算得到的位移云图如图3所示，计算得到的滑坡推力分布云图如图4所示。

图3 库水位145米时位移云图

图4 库水位145米时滑坡推力云图

从第一工况位移云图（图3）中可看出，滑体变形最大的部位发生在坡体后缘，变形量为24.4cm；而抗滑桩位置处变形量最小，水平最大位移为2.4cm，发生在桩顶，这些变形特点符合滑坡发生、发展的基本规律。

由第一工况滑坡推力云图（图4）中可知，沿桩身轴线，滑坡推力基本呈梯形分布，应力逐步增加，在滑面位置处达到最大。由于抗滑桩桩身在推力作用下发生挠曲变形，致使桩顶下局部范围内，桩身与土体之间脱开，接触应力为零。

（2）第二种工况：库水位由145m上升到175m

ANSYS计算得到的位移云图表明（图5），随着库水位的上升，滑坡坡体前后缘变形量均在增大，坡体后缘变形量为28.9 cm，与蓄水前相比，增加了4.5cm；而桩顶水平位移为4.9cm，与蓄水前相比，增大了2.5cm。计算结果表明，库水位上升后，滑体的物理力学特性出现恶化，抗剪强度降低，变形量相应增加。

库水位上升后，滑坡推力分布图式没有发生改变，仍呈梯形分布（图6），但桩后滑坡推力明显增大，增长幅度约23%。

图5 库水位上升到175米时位移云图

图6 库水位上升到175米时滑坡推力云图

（3）第三种工况：库水位由175m下降到145m

由库水位下降产生的位移云图可发现（图7），滑坡体后缘的变形量为41.7cm，增长幅度较大；而抗滑桩桩顶变形量亦继续增大，实际变形值为12.9cm，其变化幅度也进一步增大。位移云图同时可看出，水位陡降阶段，坡体中下部变形要比坡体后缘变形量大。而从滑坡推力变化情况分析（图8），水位下降引起的滑坡推力增长幅度更大，表明渗透压力对边坡稳定性的影响要比静力荷载的影响更为明显。

4 结语

本文通过一工程案例，利用ANSYS大型有限元分析软件，模拟计算了在三峡库水位涨落情况下，滑坡推力的变化特性，得到了如下结论：

图7 库水位下降到145米时的位移云图

图8 库水位下降到145米时滑坡推力云图

（1）桩后滑坡推力分布图式呈梯形分布，滑面位置处推力最大，这一特性与天然状态下基本一致，但在饱水状态下，滑面处应力有突变现象；水位上升阶段，桩顶由于与土体脱开而出现接触应力为零的现象，这种现象在库水位瞬时下降时，由于土体变形较大而消失。

（2）水位下降引起的渗透压力对边坡稳定性的影响要比静力荷载的影响更为明显。

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