基于数值模拟下的大房李家滑坡支护稳定性分析

王立猛

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳110136)

1 引言

滑坡的产生是一个长期复杂、各方面综合作用下的结果，有产生历程长，成因复杂等特征。滑坡的触发需满足一定的条件，总体可分为自然触发条件和人为因素。其中，降雨是诱发边坡失稳的重要因素[1]。强降雨通过土体表面下渗进入下部岩土体，通过改变边坡岩土体的抗剪强度和应力状态进而影响边坡稳定性[2]。为了分析不同降雨类型以及叠加滑坡支护工程对边坡稳定性的影响，本文以大房李家开挖路基滑坡为研究对象，在GeoStudio软件中根据不同降雨模式进行滑坡稳定性模拟，分析在不同桩间距、桩面积、桩长下的稳定性，以此得到最优支护工况条件。

2 大房李家滑坡基本特征

2.1 大房李家滑坡概况

大房李家滑坡位于平凉至绵阳国家高速公路(G8513)平凉(华亭)至天水段，滑坡平面形态为“圈椅状”，开挖后路基剖面形态为“台阶形”，海拔高程1 800～2 170 m，长约850 m，高约400 m，厚约40 m，体积约49.1×104m3，下滑方向310°。该区域出露的地层岩性有下三叠统夜郎组(T1y)发育的灰岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等，基岩在区内露头较少，出露的主要为泥岩以及灰岩。岩层产状160°∠25°，岩层倾向斜缓倾坡内。

2.2 工程地质条件

大房李家滑坡区属构造剥蚀中山地貌，山势低缓，侵蚀切割程度中等，地势为阶梯状斜坡，总体上是东部(滑坡后缘)高西部(滑坡前缘)低。该滑坡后缘高程约2 400 m，前缘剪出口高程约2 040 m(从2 000 m高程处开始建模)，相对高差约400 m。滑坡为一沿基覆界面滑移的土质滑坡，滑坡区后缘右边有村道通过，滑坡后缘基岩裸露。

3 稳定性计算模型及工况

3.1 模型建立

本文采用GeoStudio软件对大房李家滑坡在SEEP/W中进行不同降雨模式下的渗流场模拟，然后耦合到SLOPE/W进行稳定性计算，同时耦合到SIGMA/W进行位移计算，根据地质勘察资料与剖面图建立滑坡的数值计算模型。将模拟的滑坡区域分为滑体、滑带和基岩，将模型剖分成1 702个单元，共计1 775个节点，计算模型与网格如图1所示[3]。岩土体力学参数主要有岩土体变形模量E、泊松比υ、容重γ、黏聚力c、摩擦角φ。参数的确定主要类比其他滑坡的物理力学参数综合确定。表1为岩土体天然状态下固结快剪下的物理力学参数。

图1 计算模型与网格划分图

表1 岩土体力学参数表

3.2 不同降雨模式的影响

降雨模式是降雨强度随时间变化的函数，在一次降雨过程中，并非所有的降雨量都会渗透进入坡体内，一部分以地表径流的形式排出，另一部分会沿着土体空隙通道进入坡体。降雨模式会影响雨量进入坡体内的情况，从而影响边坡稳定性，因此研究不同降雨模式下边坡降雨入渗规律及其稳定性变化有重要的意义。为简化计算选用具有代表性的4种模式(减弱型，集中型，平均型，增加型)进行研究，以得到最不利的降雨模式。

4种不同降雨模式下稳定性系数变化如图2所示。由图2可知，4种不同降雨模式下稳定性系数都随着降雨天数的增加而变小，稳定性系数下降幅度最大的是减弱型，其次为集中型和平均型，下降幅度最小的为增强型降雨模式，减弱型降雨模式最大降幅达到0.32。减弱型降雨模式在第1天内变化较大，集中型和平均型降雨模式主要在第2天变化较大，增强型降雨模式相对降低幅度最小。

图2 稳定性系数随降雨历时变化图

由图3不同降雨模式下滑坡体前缘溢出点A点(如图1所示)处的孔隙水压力变化曲线可知：4种降雨模式中，减弱型降雨模式对坡体前缘A点处孔隙水压力的影响均大，孔隙水压力曲线一直在最上面；其次是集中型和平均型，这两种降雨模式下的孔隙水压力曲线有交叉；增强型降雨模式相对影响较小。

图3 滑坡体A点孔隙水压力图

4 滑坡支护方案优化对比

滑坡体下方分布道路，治理工程应结合滑坡特征及危害对象进行有针对性的防治，采取抗滑桩的治理思路。抗滑桩桩位主要选择在滑体厚度相对较薄，滑面相对平缓，滑坡推力相对较小，且能充分利用桩前抗力的地段。根据这一原则，抗滑桩布置于滑坡前缘交界部位。为了既满足抗滑要求又达到经济效益，分别从抗滑桩支护间距、横截面积以及长度三个方面进行支护验证，分析抗滑能力最好的抗滑桩性质。

4.1 不同桩间距对支护的影响

本节进行不同抗滑桩支护间距对比，数值模拟过程中保持其他条件不变而只改变抗滑桩间距。抗滑桩参数选取为：桩长16 m；横截面积为0.3 m2；桩间距依次选取2、3和4 m；受荷段6 m，锚固段10 m；桩身采用C30混凝土，弹性模量为30 000 MPa。改变滑坡体在不同抗滑桩间距支护条件，使其在暴雨模式(100 mm/d)下进行20d稳定性计算。不同抗滑桩间距下的稳定性系数如图4所示。由图4可知，当抗滑桩间距为2 m时，滑坡最小稳定性系数为1.412；当抗滑桩间距为3 m时，滑坡最小稳定性系数为1.363；当抗滑桩间距为4 m时，滑坡最小稳定性系数为1.246；稳定性变化趋势较为相似，在暴雨工况下，滑坡稳定性系数先下降后逐渐上升，最小稳定性系数发生在暴雨后的第4天。从支护效果及经济效益方面考虑,当抗滑桩间距取值3 m时即可符合工况需求。

图4 不同桩间距下滑坡稳定性系数变化图

4.2 不同桩横截面积对支护的影响

在进行不同抗滑桩支护横截面积对比时，抗滑桩参数选取为：桩长16 m；横截面积分别为0.3、0.4和0.5 m2；桩间距选取3 m；受荷段6 m，锚固段10 m；桩身采用C30混凝土，弹性模量为30 000 MPa。改变滑坡体不同抗滑桩横截面积支护条件，使其在暴雨模式(100 mm/d)下进行20 d稳定性计算。不同抗滑桩横截面积下的稳定性系数如图5所示。

图5 不同桩截面积下滑坡稳定性系数变化图

由图5可知，随着抗滑桩面积的增加，抗滑桩抗滑稳定能力也逐渐增加。当抗滑桩横截面积为0.3 m2时，泥质滑坡最小稳定性系数为1.363；当抗滑桩横截面积为0.4 m2时，泥质滑坡最小稳定性系数为1.367；当抗滑桩横截面积为0.5 m2时，泥质滑坡最小稳定性系数为1.371。三种横截面积下的抗滑桩都大大提高了滑坡稳定性，随着抗滑桩横截面积的增加，滑坡稳定性支护效果也越好，故当抗滑桩横截面积为0.5 m2时最符合工况需求。

4.3 不同桩长对支护的影响

由上一节可知，当抗滑桩间距取值3 m，同时横截面积取值为0.5 m2时，远远满足抗滑稳定性要求，故本节进行不同抗滑桩支护长度对比时，在Geo-studio数值模拟过程中保持其他条件不变而只改变抗滑桩桩身长度。抗滑桩参数选取为：桩长12、14和16 m；横截面积为0.5 m2；桩间距选取3 m；受荷段占桩长1/3，锚固段占桩长2/3；桩身采用C30混凝土，弹性模量为30 000 MPa。改变滑坡体在不同抗滑桩长的支护条件，使其在暴雨模式(100 mm/d)下进行20 d稳定性计算。不同抗滑桩长的稳定性系数见图6所示。

由图6可知，随着抗滑桩桩长的增加，抗滑桩抗滑稳定能力逐渐减小。当桩长为12 m时，泥质滑坡最小稳定性系数为1.363；当桩长为14 m时，滑坡最小稳定性系数为1.361；当桩长为16 m时，泥质滑坡最小稳定性系数为1.303，故当抗滑桩桩长为12 m时最符合工况需求。

图6 不同桩长下滑坡稳定性系数变化图

5 结束语

大房李家滑坡目前处于整体基本稳定状态。从定性和定量两方面分析，该滑坡稳定性主要受降雨强度的影响。基于减弱型、集中型、平均型、增加型4种降雨模式来进行模拟分析，以得到最不利的降雨模式。分析可知：滑坡稳定性系数在4种不同降雨模式下都随着降雨天数的增加而变小，稳定性系数下降幅度最大的是减弱型。滑坡治理所需抗滑桩参数选取为：桩间距3 m，横截面积0.5 m2，桩长12 m，此时最符合本项目工程抗滑要求以及经济效益。