某滑坡治理方案的三维数值模拟分析

宋民崇，余云燕，郭　阳，袁国柱

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

某滑坡治理方案的三维数值模拟分析

宋民崇1，余云燕2，郭阳1，袁国柱1

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

结合某滑坡实际工程背景，运用软件建立简化三维模型，分析其稳定性，定量的分析滑坡体总体位移云图和在主滑方向（即Y方向和Z方向）的位移云图。在剪应变增量云图中找出滑动面的位置，从而为抗滑支挡结构物的合理布设提供范围，模拟预应力锚索框架和预应力锚索抗滑桩加固整治滑坡，并分析、评价治理效果。

滑坡；稳定性分析；FLAC3D；数值模拟

0　引言

一般对滑坡治理措施的选取都是通过定性的分析[1]，从工程的适宜性，技术的可行性，投资收效比，施工难易程度等几个方面进行综合分析，选取治理方案，但这样的分析方法没有定量的比较，而数值模拟分析恰好具备定量分析这一功能，在进行分析时，可以应用FLAC3D简化模型来讨论，选取滑坡体典型剖面，建立简化三维模型，首先分析简化模型在自然条件下的稳定性，分析其位移云图，找出滑坡体的滑动面。在简化三维模型上布设抗滑支挡结构物，从而选出较为合理的治理措施。简化模型研究治理方案，不但能简化工作量，同时还可以排除地形因素的干扰，易于治理方案的横向比较。

1　工程背景

某坡体位于甘肃陇南武都地区，地处西南山地，地形特殊而复杂。本地区总体地势西北高，东南低，海拔高程700～2 500 m，相对高差为1 000～1 500m。境内山高谷深，峰峦起伏，群山环绕，沟壑纵横，山势陡峻，地层破碎，地质构造较为复杂地震活动频繁且强度大，生态环境脆弱，是我国滑坡等地质灾害最为发育的地区之一，见图1。

2　计算模型的建立

根据地质资料建立三维简化计算模型，边坡前缘的脚点为坐标原点 (0,0,0)，X方向沿着坡脚方向向右为正，Y方向以滑动向前为负，Z向上为正，向下为负，高度为150 m，边坡长150 m，宽150 m，计算模型选取滑坡体典型剖面，将其拖拉20 m，形成简化三维模型，初始地应力为自重地应力场。边界条件为：X、Y、Z方向为固定约束，滑坡体主要由碎石土组成，滑床主要由板岩构成。计算参数选取根据勘测资料按照表1取值，计算工况为天然状态。

图1　某滑坡工程地质纵断面图

在计算岩土体的剪切模量和体积模量时，应根据式（1）计算：

简化模型见图2。

3　数值模拟结果分析

3.1稳定性分析

本文应用 FLAV3D三维仿真软件计算，TECPLOT图形处理软件出图，下面对计算结果进行分析。依据表1中的滑坡体参数对简化三维模型进行稳定性分析，得出滑坡的安全系数为0.99，并整理出一系列位移云图，以便与治理后位移云图进行对比，评价治理效果[2]。

表1　岩土体力学参数

图2　简化模型示意图

图3　简化模型总体位移云图

图4　总体位移中线剖面位移云图

图5　滑坡体Y方向总体位移云图

图6　滑坡体Y方向中线剖面位移云图

图7　滑坡体Z方向位移云图

图8　滑坡体Z方向中线剖面位移云图

图9和图10分别为剪应变增量云图和中线剖面剪应变增量云图，由这两个云图可以看出滑坡体的滑动面的位置，综合前面的位移云图，可以为治理措施位置的选取提供依据[3]，其中最为主要的一点就是给出滑坡体滑动面的位置，从而为抗滑支挡结构物的布设提供可选范围。

图9　剪应变增量云图

图10　中线剖面剪应变增量云图

3.2预应力锚索框架的数值模拟

预应力锚索框架这种结构形式主要是利用了预应力锚索、框架梁作为承力和传力构件的特性[4]，即通过框架梁承受巨大的锚索预应力并且将其传递到被锚固的地层中，从而起到对坡体加固的作用。

在简化三维模型中，根据滑动面的具体位置，及相应的规范，在整个坡面20 m范围内，布设两组锚索框架，框架横梁长8 m，上排横梁与下排横梁之间的距离为4 m,竖梁长8 m，一组框架内的左右两根竖梁之间的距离为4 m。横梁与竖梁的界面尺寸均为0.7 m×0.7 m，采用C25混凝土浇筑，弹性模量取3E10Pa，泊松比取0.2，预应力锚索的锚固角为25°，钢筋采用6Φ15.24高强度低松弛预应力钢绞线制作，上排预应力锚索自由段为20 m，下排为18 m，锚固段长度取10 m，施加预应力为720 kN。

图11为框架锚索布设位置剖面示意图，图12为框架锚索布设位置三维示意图及相应的位移云图，图13为框架锚索应力云图。由图11和图12可以看出框架锚索的布设位置。

图11　框架锚索布设位置剖面示意图及位移云图

图12　框架锚索布设位置三维示意图及位移云图

图13　框架锚索应力云图

图14和图15分别为治理后总体位移云图和治理后中线剖面总体位移云图。由这两张图可以看出，经预应力锚索框架加固后，滑坡体的最大位移为0.02 cm，最大位移集中在坡面预应力锚索框架布设处，并向四周逐渐减小。与未治理时滑坡位移比较可以看出，滑坡体最大位移由19 cm降至0.02 cm，治理效果十分显著。

图14　治理后总体位移云图

图15　治理后中线剖面总体位移云图

3.3预应力锚索抗滑桩的数值模拟

预应力锚索抗滑桩是一种采用锚索和桩共同受力来抵抗滑坡推力的复合型受力结构[5]。它能变一般抗滑桩的被动抗滑结构为主动抗滑结构，改变悬臂式抗滑桩不合理的受力状态，是一种全新而有力的新型抗滑结构，在普通抗滑桩顶部设置一排或多排锚索并施加预应力，受力形式类似于上端铰支和下端弹性固结的梁式受力结构，比普通抗滑桩的悬臂梁受力形式更加合理，在实际工程中得到了推广应用。

根据实际的模型和相应的设计规范，锚索自由段取20 m，锚索锚固段取10 m，锚固角取25°，钢筋采用6Φ15.24高强度低松弛预应力钢绞线制作，施加预应力为720 kN，根据滑坡防治工程设计与施工技术规范中的规定，抗滑桩间距(中对中)宜为5～10 m，抗滑桩的嵌固段应嵌入滑床中，约为桩长的1/3～2/5，抗滑桩的截面形状应以矩形为主，截面宽度一般为1.5～2.5 m，截面长度一般为2.0～4.0 m，因此本文桩截面尺寸取1.6 m×2 m，桩长取26 m(嵌入滑床9 m)，桩间距取6 m，采用C25混凝土浇筑，桩体材料弹性模量取3E10 Pa，泊松比为0.2，桩位的选择根据滑坡推力及实际模型确定。

图16为预应力锚索抗滑桩布设位置剖面示意图及位移云图，图17为预应力锚索抗滑桩布设位置三维示意图及位移云图，由图16和图17可以看到预应力锚索抗滑桩布设的平面位置和三维空间位置。

图16　预应力锚索抗滑桩布设位置剖面示意图及位移云图

图17　预应力锚索抗滑桩布设位置三维示意图及位移云图

图18和图19分别为预应力锚索抗滑桩平面应力云图和预应力锚索抗滑桩三维应力云图，由这两张图可以看出预应力锚索抗滑桩各部分发挥的作用及受力的状况。

图18　预应力锚索抗滑桩应力平面云图

图19　预应力锚索抗滑桩三维应力云图

图20和图21分别为治理后总体位移云图和治理后总体位移中线剖面云图，由图20和图21可以看出，滑坡体经预应力锚索抗滑桩的加固整治后，最大位移由19 cm降至0.009 5 cm，治理效果十分显著。

图20　治理后总体位移云图

图21　治理后总体位移中线剖面云图

由以上分析结果可知，经预应力锚索抗滑桩加固整治后，滑坡最大位移由19 cm降至0.009 5 cm，经预应力锚索框架加固后，滑坡体的最大位移降至0.02 cm。

4　结　论

（1）建立简化三维模型，分析其在天然条件下的稳定状态，得到滑坡安全系数为0.99，总体最大位移为19 cm，此时滑坡处于临界稳定状态，在剪应变增量云图中找到滑动面(或潜在滑动面)的位置。

（2）应用软件，模拟预应力锚索框架和预应力锚索抗滑桩整治滑坡，经预应力锚索框架治理后滑坡体的最大位移由19 cm下降到0.02 cm，经预应力锚索抗滑桩治理后滑坡体的最大位移降至0.009 5 cm，这两种治理措施效果都十分显著。

（3）预应力锚索框架是预应力锚索与混凝土框架梁的复合结构，能够充分发挥锚索和框架梁的锚固作用；预应力锚索抗滑桩综合了预应力锚索和抗滑桩二者的优点，在桩上设置一排或多排锚索，并对锚索施加预应力，将锚索锚固在稳定的基岩中,以达到阻止边坡滑动的目的，通过预应力锚索与抗滑桩共同承受滑坡推力，两者有机结合，发挥各自的长处，从而更有效地加固坡体。

预应力锚索框架和预应力锚索抗滑桩已经被大量工程实践证明为是十分有效的治理滑坡的措施，与普通的抗滑桩相比，这两种结构充分的改善了结构体的受力状态，使结构体变被动抗滑为主动抗滑，极大地提高了治理滑坡的效果。

[1]王恭先,徐峻龄,刘光代,等.滑坡学与滑坡防治技术[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[4]贾金青,郑卫锋,陈国周.预应力锚杆柔性支护技术的数值分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3979-3982.

[5]洪滨.预应力锚索抗滑桩优化设计研究[D].重庆:重庆交通大学, 2007.

TU457

A

1009-7716（2016）03-0139-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.041

2015-11-11

宋民崇（1983-），男，吉林农安人，工程师，从事道路、桥梁设计与科研工作。