抗滑桩对降雨型滑坡加固效应分析

邵莎莎

（山东临沂水利水电建筑安装公司,山东 临沂 276000）

滑坡灾害是我国及世界范围内山区重大地质灾害,由于其突发和规模较大的特点,通常会带来巨大的损失。随着山区人口密度和基础建设日益繁荣,边坡的稳定性问题也成为国内外研究的重点和难点。其中降雨型滑坡又是滑坡类型的最重要的一种。魏巍等[1]基于ABAQUS数值模拟研究了降雨型滑坡的入渗特征及抗滑桩加固稳定性。研究表明,考虑降雨入渗比不考虑降雨入渗时,边坡坡脚的稳定性更差,实际工程中,抗滑桩的最优位置应布置于坡中和坡脚位置。李宁等[2]基于Geostudio数值计算软件,系统地研究了降雨条件下抗滑桩边坡稳定性。结果表明,抗滑桩的对边坡的加固效果随抗滑桩的间距减小而增大。对于降雨型滑坡,抗滑桩的最优位置应布置在坡脚,且增大抗滑桩的长度可以提高桩的加固效果。李宁等[3]基于ABAQUS二次开发,系统地研究降雨条件下抗滑桩边坡三维稳定性。结果表明,过小的桩间距一方面可以提高桩的加固效果,另一方面不利于雨水排泄。在不考虑降雨条件下,抗滑桩布置于边坡中部时,抗滑效果最优。兰素恋等[4]、郭宏伟[5]等基于三维仿真数值模拟,系统地分析了某铁路边坡降雨入渗条件下的稳定性。结果表明,在对于降雨型滑坡而言,抗滑桩对边坡的稳定性有很大的改善作用,抗滑桩可以有效减小边坡位移,保证边坡的稳定性。王成汤等[6]基于模型试验和数值模拟系统地研究了锚索抗滑桩加固堆积型滑坡的受力特性。结果表明,锚索抗滑桩的加固效果显著由于普通抗滑桩的加固效果。

本文基于某典型降雨型边坡,采用数值有限元研究降雨型边坡非饱和渗流过程,分析雨强及基质吸力及桩顶约束对边坡稳定性的影响。

1 工程概况

以某均质土坡为研究对象建立数值模型见图1。假定土体是均匀的砂土。计算采用的物理力学参数见表1。模型边界条件为：左右两边约束水平位移,底部固定三个方向的位移,顶部为自由渗流边界。抗滑桩位于边坡中部,桩距坡顶水平距离为7.5 m,截面尺寸为方形桩,边长为0.8 m,长度为15 m。土体计算本构采用摩尔-库伦模型,桩采用均质线弹性本构,其中桩土截面采用接触单元模拟,桩土接触面的参数见表1。计算中,假定初始降雨强度为60 mm/d,降雨持续总时间为6 d。

图1 边坡数值模拟示意图

2 计算结果与分析

2.1 孔隙水压力的变化规律

图2为不同降水时长下边坡的孔隙水压力的变化情况。结果表明,随时间增大,坡体内部的湿润锋逐渐由表面向内部推进。等值孔隙水压力呈现出环状分布形式。其中在降雨开始阶段,由于土体的饱和度较低,入渗能力较强,因此雨水入渗的较快,基质吸力减小的速度较快。此外,当降雨时长达到3 d时,坡面土体达到饱和状态,基质吸力减小为0,坡面出现积水并形成径流。进一步随着降雨的增大,坡面土体的饱和区随之扩大,地下水上升。

图2 边坡孔压随降雨的变化趋势图（单位：kPa）

图3为边坡位移随降雨时长的变化趋势。结果表明,当降雨时长为1 d时,边坡的位移为5.7 mm,当降雨持续时间为2 d时,边坡的位移增大至6.5 mm,当降雨持续时间为3 d时,边坡的位移增大至6.8 mm,当降雨持续时间为4 d时,边坡的位移增大至7 mm,当降雨持续时间为5 d时,边坡的位移增大至8.5 mm,降雨持续时间为6 d时,边坡的位移增大至10.5 mm。此外,当降雨持续时间大于4 d时,边坡位移随降雨持续时间的增大,变化速率增大更明显。也证明,边坡失稳的可能性更大。根据图4的结果可以看到,降雨时间由1 d增大至6 d后,边坡的稳定性系数由1.45减小至0.95。

图3 边坡位移随降雨时长的变化趋势

图4 边坡稳定性系数的变化规律

2.2 雨强对边坡稳定性的影响

图5为降雨时间对边坡稳定性的影响。结果表明,在降雨强度为40 mm/d、80 mm/d、120 mm/d、160 mm/d和200 mm/d的工况下,边坡的稳定性随降雨强度的增大而减小。此外,当降雨强度超过120 mm/d时,降雨强度对边坡的稳定性影响基本忽略不计。这是因为,当雨强小于岩土体的渗透系数时,雨水入渗程度较大。边坡稳定性降低较快,当雨强大于边坡岩土体的渗透系数时,降雨入渗程度减弱,大部分降雨不会入渗至坡面内部,而是形成地表径流排出,从而导致边坡的稳定性随降雨强度的影响逐渐减弱[1]。根据结果看出,当降雨强度为40 mm/d时,降雨时长增大6 d后,边坡的稳定性系数由1.45降低至1.39,当降雨强度为80 mm/d时,降雨时长增大6 d后,边坡的稳定性系数由1.45降低至1.20,当降雨强度为120 mm/d时,降雨时长增大6 d后,边坡的稳定性系数由1.45降低至1.08,当降雨强度为160 mm/d时,降雨时长增大6 d后,边坡的稳定性系数由1.45降低至0.95,当降雨强度为200 mm/d时,降雨时长增大6 d后,边坡的稳定性系数由1.45降低至0.94。

图5 降雨时间对边坡稳定性的影响

2.3 基质吸力对边坡稳定性的影响

为了进一步研究边坡基质吸力对坡体稳定性的影响,本文以降雨强度为160 mm/d为例,分析选择4种不同的工况下基质吸力对边坡稳定性的影响。工况1为坡体不加固且不考虑基质吸力；工况2为坡体不加固但考虑基质吸力；工况3为坡体加固但不考虑基质吸力；工况4为坡体加固且考虑基质吸力。计算得到不同4种工况下,基质吸力对边坡稳定性的影响见图6。结果表明,对于工况1而言,无降雨时,边坡的稳定系数小于1,证明边坡处于不稳定状态。对比工况2和工况3,可以发现,工况2的边坡稳定性大于工况3的稳定性。从以上分析可以看出,基质吸力对边坡的稳定性影响较大。对比工况2和工况4发现,当降雨持续时间小于3 d时,工况4的边坡稳定性显著大于工况2的。这是因为。当降雨时间大于4 d后,边坡发生很大的位移。桩土接触位置处发生鲜显著的剪切变形,导致抗滑桩阻滑作用降低[7-8]。

图6 基质吸力对边坡稳定性的影响

2.4 桩顶约束形式对边坡稳定性的影响

实际工程中,抗滑桩的桩顶一般为自由约束。当桩顶位移过大时,可采用锚拉桩的形式减小桩顶位移。本文研究了桩不同的约束形式下桩体位移的变化规律见图7。结果表明,在降雨强度为160 mm/d工况下,未降雨和降雨结束后,桩顶位移随深度表现出两头小中间大的趋势。当桩顶铰接时,桩顶最大位移明显小于桩顶自由情况。此外,图8为桩顶约束对边坡稳定性的影响,可以看到,铰接工况下边坡的稳定性显著高于桩顶自由工况。对于自由工况下的桩顶而言,随降雨持续时间的增大,稳定系数由1.45降低至0.95,而对于铰接工况下的桩,边坡稳定系数由1.71降低至1.22。

图7 桩顶约束对桩位移的影响

图8 桩顶约束对边坡稳定性影响

3 结论

（1）降雨持续入渗的过程中,边坡湿润前锋逐渐由坡面向坡体内部推进。随着土体饱和度的增大,土体的基质吸力显著降低,当降雨持续增加到一定时长时,坡面出现饱和区,基质吸力消失为0。

（2）随着降雨的入渗,边坡坡脚位移有增大的趋势,进一步当降雨持续增大至4 d时,坡脚位移变化速率显著增大,稳定性显著降低,边坡有失稳的可能性。

（3）边坡的稳定性随降雨强度的增大而减小,当雨强大于土体渗透系数时,雨强对边坡稳定性影响较小,当雨强小于土体渗透系数时,雨强对边坡稳定性影响非常显著。此外,采用锚拉形式的抗滑桩对边坡的加固效应明显优于普通抗滑桩。