桩板墙在滑坡治理中的应用及其数值模拟分析

张海波

(贵州省兴义公路管理局 兴义 562400)

1 工程概况

项目区位于云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，地处望谟县大观镇境内，属于贵州省余庆至安龙高速公路罗甸至望谟段第7标段YK60+180-YK60+280段。由于罗甸望谟地区连续强降雨，导致该路段右侧填方路堤墙开裂、被挤压推移，路面产生开裂、衬砌拱出现裂缝，边坡产生滑移，滑坡区地表裂缝图见图1。滑坡体纵向长约80 m，宽约22 m，根据钻探揭露，滑动面深5～12 m，滑坡面积约1 800 m2，滑坡体积约14 500 m3，该滑坡为填土类中层小型滑坡。该段线位沿斜坡展布，分幅路基左侧为挖方通过，右幅为填方通过，右幅填方采用6 m填土路堤墙进行支挡防护。该路段后缘右幅路基路面形成2条拉张裂缝，裂缝呈半弧形锯齿状，裂缝宽2～5 cm，长分别为8.6 m和47.5 m，路堤墙在YK60+250处出现明显横向开裂，裂缝宽约3 cm，位移5～8 cm，滑坡现处于强变形阶段。

图1 滑坡区地表裂缝图

2 工程水文地质条件

项目区地处云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，属乌蒙山脉东南侧边缘山区。场区海拔612.0～756.0 m，相对高差144.0 m；轴线通过段地面高程为648.2～658.9 m，相对高差10.7 m。纵坡较缓，植被发育，属于构造剥蚀型低山地貌。测区属珠江流域之红水河水系，场区地表径流为路基右侧小河，属雨源型山区河流，流程短，易涨易退，流量受降雨量控制。场区内位于扬子准地台-黔南台陷-望谟北西向构造变形区。场区无断层、断裂发育，岩层产状为200°∠25°。场区主要有节理2组，产状分别为300°∠87°，25°∠89°，均为密闭型节理，节理间距50～400 mm，节理面平直，风化层中局部泥质充填。

根据地质调绘、钻探资料，滑坡区岩土层自上而下为：青灰色松散～稍密状人工填土，粒径5～15 cm，厚度0～11.0 m；黄褐色可塑状残坡积粉质黏土，含少量泥质粉砂岩碎石，厚度1.0～6.0 m。滑坡区下伏基岩为三叠系中统许满组(T2xm)薄～中厚层泥质粉砂岩夹泥岩。根据岩体的节理、裂隙发育特征，硬度与完整性，将其划分为强、中风化2层。其中强风化泥质粉砂岩夹泥岩节理裂隙发育，厚1.0～4.0 m。场区地下水类型为松散层孔隙水和基岩裂隙水。

3 滑坡产生的原因分析

根据滑坡勘查区现场实际情况，从3个方面分析该段路堑边坡产生滑移的原因[1]。

1) 地质构造及岩性。该边坡该上覆松散～稍密状人工填土，厚度0～11.0 m，黄褐色可塑状残坡积粉质黏土，含少量泥质粉砂岩碎石，厚度1.0～6.0 m，人工填土力学性质较差。下伏基岩为三叠系中统许满组(T2xm)薄～中厚层泥质粉砂岩夹泥岩。泥质粉砂岩夹泥岩受水的作用易软化，力学参数降低。

2) 雨水的作用。由于场区岩体节理、裂隙水发育，连续强降雨使得填方路基内积水，地下水位上升，当降水渗入到岩层面时，使接触带的砂性黏性土含水量增大，填方体重度增大、岩土体物理力学参数降低。造成YK60+193-YK60+258段挡墙基底岩土体软化，导致挡墙出现开裂滑移，路基局部沉降牵引路面及下边坡衬砌拱开裂该段路基汇水沿裂缝下渗，潜蚀岩土体，导致软弱结构面力学参数降低，边坡达到临界状态发生蠕动滑移。

4 滑坡治理

4.1 滑坡稳定性分析

路段区位于斜坡中部的缓坡地带，右幅路面已形成2条拉张裂缝，裂缝呈半弧形锯齿状，路堤墙在YK60+250处出现明显横向开裂，裂缝宽约3 cm，位移约5～8 cm，滑坡现处于强变形阶段。路堤墙右侧平台附近地表上覆土层为粉质黏土，厚4～6 m，填方路基内未能有效及时排水，路基整体欠稳定状态。根据表1参数，以K60+220断面为典型断面进行稳定性计算K60+220横断面示意图见图2，计算结果见表2[2-3]。

表1 推荐岩土体物理力学指标参数表

图2 K60+220横断面示意图

工况搜索圆弧滑动稳定系数K稳定状态正常1.057基本稳定暴雨0.958不稳定

根据该路段路基填方现场填筑情况及现场调汇，根据《公路路基设计规范》和工点勘察报告，对典型剖面的边坡进行剩余下滑力的计算。正常工况下，取安全系数Ks=1.3，滑动面参数取土层参数。暴雨工况下，取安全系数Ks=1.2，滑动面参数取土层参数。计算结果见表3。

表3 各剖面剩余下滑力计算结果

综上，目前该段路堤正常工况下处于基本稳定状态，暴雨工况下处于欠稳定状态。但均不满足规范稳定性要求。

4.2 滑坡治理方案比选

结合地质资料和现场踏勘，提出如下方案：

方案1。桩板墙+刚性反压方案。抗滑桩尺寸1.8 m×2.4 m，长度12～14 m，刚性反压体采用C20片石混凝土。

方案2。仰斜式路堤挡墙+刚性反压方案。路堤墙高6～8 m，刚性反压体采用C20片石混凝土。

表4对各方案的造价及优缺点进行对比分析见表4。由表4可见，方案1虽然造价较高，但抗滑桩加固滑坡体，抗滑效果优于抗滑挡墙，且抗滑

桩施工开挖量小于挡土墙，对填方体的影响小，最终推荐方案1。

表4 各方案对比分析

5 有限元数值模拟分析

5.1 模型建立

依据有限元强度折减法，采用ABAQUS计算软件对经桩板墙加固后的边坡进行数值模拟，分析加固后边坡的稳定性和变形特性[5-8]。以K60+220横断面为典型断面建立ABAQUS模型图，模型长60 m、高26 m，采用Mohr-Coulomb强度准则和弹塑性理论分析桩土接触问题。计算时位移边界条件：模型底部和侧边设置为限制滑坡体底部的水平和竖直方向的位移，两侧土体可产生水平位移，模型上部为自由边界。计算时将土体和抗滑支挡作为变形体，分析加固后边坡以及抗滑支挡结构的稳定性和变形特性。

抗滑桩截面尺寸1.8 m×2.4 m，桩长14 m，桩位中心点距离路堤墙顶右侧3.5 m、下方2 m。桩间距6 m，抗滑桩间采用挡土板连接，板厚0.3 m。

利用对称性，选取前述典型边坡断面，加固后的平面示意图见图3。模型示意图取阴影部分进行分析。按照以上尺寸建立简化的有限元网格模型，网格模型见图4。边界条件设置为限定模型左右两面X方向上的位移，限定前后两面Z方向上的位移，以及限定模型底部X、Y、Z3个方向上的位移。分析中，桩体及挡土板为弹性材料，土体采用理想线弹塑性Mohr-Coulomb模型，土、桩参数分别见表1、表5。

图4 算例有限元网格模型

表5 抗滑桩和挡土板计算参数

5.2 结果分析

图5表示边坡加固前的位移等值线云图，图6表示边坡加固后的位移等值线云图，从图中可以看出，经过加固后的边坡位移明显小于边坡加固前的位移，说明加固效果明显。

图5 边坡加固前的位移等值线云图

图6 边坡加固后的位移等值线云图

基于ABAQUS的强度折减原理，通过场变量FV1(即安全系数)对岩土体的内摩擦角φ和黏聚力с进行折减，场变量个数为1个，为防止迭代计算中由于连续的计算收敛导致过早的计算终止，将折减系数的变化范围从1递增至3，递增大小为0.25。得出场变量FV1与桩顶附近处水平位移U1的关系，以坡顶位移拐点作为评价指标，边坡加固后的安全系数为1.48，说明桩板墙的加固效果非常明显。

6 结语

本文依托具体工程滑坡实例，结合地质资料分析了滑坡产生的原因和滑坡体的稳定性，因桩板墙适用于散体结构，土或石质土与上软下硬边坡，故本文提出了桩板墙+混凝土刚性反压的治理方案。经过计算表明，桩板墙加固方案可有效提高边坡的整体性和稳定性，在此类滑坡治理中具有良好的适用性，加固效果良好。在本文基础上还可对桩板墙加固滑坡体作进一步研究，从桩板墙的桩间距、桩长对方案设计作进一步优化。