基于FLAC3D的水库碎石土边坡抗滑桩加固效果研究

刘 赟

（安徽维尼检测科技有限公司，安徽合肥 230001）

0 引言

研究表明，学者们对于抗滑桩加固边坡方面的研究取得了较丰富的成果，较少有学者将土拱效应考虑到抗滑桩受力的计算中，应用于实际工程。以某边坡为研究对象，采用数值模拟软件FLAC3D，对该边坡在悬臂式抗滑桩加固前后的位移及内力变化情况进行对比分析，研究结果对于碎石土边坡的加固设计具有一定的参考意义。

1 工程概况

某库岸碎石土堆积体边长约195 m，宽约145 m，呈不规则的几何状，整体下部较宽。上部厚约15～25 m，下部厚度大，超过50 m，体积约42 万方，自然坡度在20°～40°。坡体介质为碎石土，下伏基岩为变质砂岩夹板岩（图1）。

图1 边坡剖面图单位：m

2 边坡数值模型建立

此文采用FLAC3D 软件开展抗滑桩加固前后边坡稳定性变化的研究，岩土体参数如表1所示。

表1 边坡数值模型基本物理力学参数表

根据边坡断面图，建立的数值模型如图2 所示，岩土体采用Brick 单元建立，为摩尔-库仑模型，模型共计117 788 个单元，39 887个节点。x方向为边坡倾向方向，y方向为边坡走向方向，z方向为高程方向。为了更贴合实际工程，避免边界效应的影响，y 方向长度为15 m（3 倍桩间距）。模型底部施加固定约束，左右两侧施加x方向约束，前后两侧施加y方向约束。沿坡面布置3个位移监测点A1、A2和A3，分别位于坡脚附近、边坡中部和坡顶附近，以便具体对比加固前后的位移变化。

图2 数值分析模型图

使用FLAC3D三维建模时先作以下假定：①抗滑桩截面为矩形，且以实体桩模型进行数值模拟；②不考虑边坡坡度及形态影响，将坡顶设置为平面；③不考虑滑面形态影响，将滑面设置为水平面，桩后滑坡推力分布形式设为矩形；④抗滑桩模型为单排实体桩模型，坡体和抗滑桩布置具有对称性。

3 数值模拟分析

3.1 未加固边坡稳定性

首先对边坡未加固情况下的稳定性进行分析，图3（a）为边坡水平位移云图，由图可知，坡体变形主要发生在上覆碎石土内，整体表现为沿岩层分界面滑动。水平位移最大值出现在坡顶位置，约9.60 cm，随着距坡脚距离的减小，水平位移值逐渐减小。由边坡竖直位移云图3（b）可知，与水平位移变化规律类似，在坡顶处竖直位移最大，约11.61 cm，下伏基岩由于重力作用也发生较小竖直位移。上述分析可知，边坡高差大，在坡顶处由于重力作用会发生较大位移。

图3 加固前后边坡位移变化云图

3.2 抗滑桩加固后边坡稳定性

据上述设计方法，在坡脚设置抗滑桩进行加固。在FLAC3D中采用Pile单元模拟抗滑桩，具体参数见表2。

表2 桩单元参数表

对边坡设置抗滑桩后重新进行数值模拟，得到抗滑桩加固后边坡的水平和竖直变形情况，结果表明，设桩后边坡整体位移有一定程度降低，最大水平位移降低至1.80 cm左右，而最大竖直位移降低至1.50 cm 左右。通过上述分析可知，抗滑桩加固后，边坡变形得到一定控制，稳定性得到提高。

基于对比上述位移云图的变化，可看出边坡最大位移有一定程度降低，但是变化不显著。通过在坡脚处、边坡中部和坡顶附近布置的位移监测点A1、A2 和A3，分析边坡不同位置处加固前后的位移变化。

统计不同时间监测点水平位移变化规律，显示加固后位移值都有所下降，但在坡脚位置最为显著，由15.70 mm 降低至9.80 mm，下降为60.20%；其次为边坡中部，位移值由15.10 mm降低至13.90 mm，位移降低了8.60%；在坡顶位置，位移变化较小，由15.20 mm降至14.80 mm，变化率2.70%。

统计边坡不同位置竖直位移变化，与水平位移变化规律类似，在坡脚处位移变化最大，由16.80 mm 降低至13.90 mm，变化率最大，下降了20.80%；边坡中部竖直位移由9.18 cm 降低至8.39 cm，下降了9.40%；坡顶处竖直位移由21.20 mm降低至19.50 mm，下降了8.70%，对比可知，从坡顶到坡脚，加固前后位移变化率成升高的趋势。

通过上述位移变化规律可以发现，抗滑桩主要对坡脚处和边坡中部的滑体加固效果较为显著，而对于坡顶处的土体位移的限制不太明显。主要原因为该边坡属于高边坡，高差大，坡顶处土体在重力作用下极易向下滑动，即使设置了抗滑桩但对边坡上部土体位移的限制作用也有限。实际加固方案中，该工程还通过在边坡中上部设置锚索框架梁以及注浆等措施进行整体加固，以保证边坡的稳定性。

3.3 抗滑桩内力分析

将数值模拟和理论计算的抗滑桩剪力进行对比，结果显示，剪力的变化规律基本一致，呈“S”型分布，存在2 个剪力极值点，正剪力极值点在滑面附近，负剪力极值点出现在滑面以下3 m附近。数值模拟得到的正剪力极值为2 080 kN，负剪力极值为-2 200 kN；理论计算得到的正剪力极值为1 633 kN，负剪力极值为-2 529 kN。正剪力极值误差率为21.49%，而负剪力极值误差率为13%。

根据上述分析可知，数值模拟和理论推导得到的抗滑桩内力变形规律基本相同，对比二者结果验证了文章所提出的抗滑桩内力计算公式的可靠性，该方法可为碎石土堆积体边坡抗滑桩内力计算和结构优化设计提供理论指导。

4 结语

文章以某碎石土边坡工程为研究对象，采用有限差分数值模拟软件FLAC3D，分析边坡在加固后的位移及抗滑桩内力变化情况，并对抗滑桩的支护效果进行评价，主要结论如下：①数值模拟结果表明，抗滑桩加固后，边坡变形得到一定控制，最大水平位移降低至9.80 mm左右，而最大竖直位移降低至13.90 mm，边坡稳定性得到提高。②抗滑桩能减小该边坡水平变形和竖直变形，且对坡脚处附近土体位移限制效果最好，边坡经支护加固后，位移相对支护前降低了48.40%。③将数值模拟得到的抗滑桩内力结果与理论计算公式得到的结果比较，其中最大弯矩值误差率为4.79%，剪力最大值误差率为13%，结果较为一致。研究结果可用于碎石土堆积体边坡抗滑桩的理论分析及工程设计。