水位波动对抗滑桩加固机理影响研究

余文锋

(佛山市高明区城市重建和项目代建中心，广东 佛山 528500)

1 工程概况

库区边坡长350 m，宽200 m，坡高约为210 m，坡比约为1∶2.4。滑体主要成分为含碎石的粉质黏土，滑床为砂岩与风化岩层互层结构。边坡典型剖面如图1所示。根据土工试验得到岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 典型地质剖面

2 数值模型

ABAQUS是一款通用型商业软件，软件内嵌了丰富的材料本构模型和分析方法，可高效的模拟各种非线性问题。本文采用ABAQUS进行建模与分析，根据典型地质剖面建立计算模型如图2所示。其中土体采用摩尔-库伦本构进行计算，抗滑桩采用各向同性完全弹性本构进行计算。

图2 数值模型网格划分

设计了三种计算工况分别为：(1)滑坡体天然状态。(2)库水位由175 m降至145 m，并考虑渗透力作用和桩土作用。(3)库水位由145 m上升至175 m，考虑桩土间的作用。

模型网格共35 840，节点数为155 650(图2)。选取某一抗滑桩所在的典型剖面进行分析计算。模型长350 m，高为200 m，桩长60 m，直径为2.4 m，桩心距为6 m。模型的边界条件为：底部为全固定约束边界，顶部为自由边界，模型的左右边界限制水平位移。模型在不同工况下采用的力学参数汇总于表2。

表2 模型计算参数

计算过程中所需要的滑带水土特征曲线采用样本拟合方式获取，最终结果见图3。

图3 滑带土水特征曲线及渗透函数曲线

3 计算结果与分析

3.1 应变特征

图4和图5为模型的应变云图。图4结果表明，在天然工况下，滑坡处于稳定状态，当水位上升时，坡体前缘应力迅速增大，方向指向坡体内部。此外，桩与土体的界面处的应变变化不明显。受自重作用，坡体最大应力产生的位置处于坡脚，最大值为5.5 MPa。

图4 天然工况下滑坡应变云图

图5 水位降低工况下滑坡应变云图

当水位下降时，坡体的水平位移明显增大，稳定性降低。当水位降低至145 m时，坡体由于渗透力的作用导致稳定性进一步下降，滑带处应变增大。相对工况一而言，工况二最大应力产生的位置在滑带与坡脚连接位置，最大应力为6.6 MPa，最大应变为2.1×10-3(图5)。

工况三为水位上升至175 m。相较于工况二来说，坡体应力减小较多。此时，由于岩体的抗剪强度降低，边坡稳定性下降，桩土作用开始发挥(图6)。与工况二相比，滑坡顶部的应力减小15%。此外，水位上升导致土体含水率升高，土体基质吸力降低，岩体抗剪强度参数降低，滑坡稳定性降低，滑带处变形较大，可能发生整体滑动[1-2]。

3.2 应力特征

通常边坡在位移发生改变的过程中，土体与桩体的应力状态有所差异。为了详细分析在水位波动下桩土应变变化过程，本文在模型中布设了3个监测点：其中监测点1位于桩与滑体接触面，监测点2位于桩与滑带接触面，监测点3位于桩与滑床接触面。三个监测点在不同工况下的应力时程曲线见图7。

(a)监测点1

(b)监测点3

(c)监测点2图7 各监测点应力变化

图7表明，监测点应力时程曲线在三种不同工况下变化规律基本一致，均为先增大后趋于平缓的趋势。其中监测点1表明，在工况二情况下，应力变化速率最大，说明在水位下降时，滑坡孔隙水压力消散较快，土体饱和状态发生改变，监测点1的应力最大值为43 MPa；监测点2在天然工况下相对稳定，而其余两种工况下变化较大，主要是由于水的浸泡作用而软化，强度降低，进一步导致桩的位移增大；监测点3位于抗滑桩锚固段中下部，最大应力值出现在水位下降至145 m时，应力最大值为52 MPa，最小值出现在天然工况下，最小值为30 MPa。总体来看，桩前土压力分别呈上大下小的倒三角形。其他条件相同时，抗滑桩嵌固段不同位置处土压力变化与岩土体的物理力学性质有关[3]。对于嵌固段处于坚硬滑床结构的情况下，土压力大于软滑床结构的土压力。

4 结 论

(1)库水位波动条件下，岩土体的抗剪强度指标弱化，对边坡的稳定性是不利的。抗滑桩能够有效地提高边坡的稳定性，但水位波动对抗滑桩的阻滑效果也会产生不利影响。实际应用中，应适当提高抗滑桩的安全储备系数，保证边坡稳定性。

(2)库水位变化的条件下，坡体的最大应变值出现在滑带中部位置，而应变最小位置在滑坡顶部。此外，水位上升导致滑坡顶部位置位移增大，桩土作用明显。