不同支护结构下白泥沟边坡稳定性分析

不同支护结构下白泥沟边坡稳定性分析

0抗滑桩加固边坡分析中国的地形和地质条件复杂，山区约占2.3%的土地，边坡稳定的问题十分突出。这是世界上最严重的滑坡灾害之一。选取合理的加固措施对边坡进行治理，可以有效提高边坡的稳定性，从而减小边坡失稳造成的危害。目前，有多种边坡加固措施，如抗滑桩（普通抗滑桩、锚索抗滑桩等）、锚索（锚杆）、挡土墙等等。抗滑桩是最常用的支护方式，具有布置灵活、工程造价低、加固效果明显等优点（数值模拟方法为边坡稳定性分析提供了可靠的技术手段。通过建立边坡几何模型，输入地震荷载，计算分析边坡的应力和应变，可以得到边坡和支护结构典型响应量。结合大量边坡稳定性及支护的研究成果，本文针对白泥沟滑坡，采用数值模拟方法，对不同支护结构下的坡体稳定性进行研究分析，为工程应用提供参考和借鉴。1基岩、白泥沟滑坡白泥沟滑坡位于巧家县白鹤滩镇唐家山斜坡处，距离巧家县县城南侧5km。白泥沟滑坡整体形态呈扇形，后缘清晰，两侧边界较为明显。滑坡体宽约350m，长约300m，滑坡面积约7.58×10滑坡区出露地层自上而下依次为第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）、二叠系栖霞组和茅口组（P1q+m）灰岩、白云质灰岩、砂岩、泥岩、泥质灰岩。其中表层残坡积土由棕红色粉质黏土与碎石土组成，厚度分布不均。下覆基岩以灰岩为主，由钻孔岩芯可见，基岩具有强风化特征，岩体受构造挤压极其破碎，岩体质量等级为“Ⅴ”级。滑坡局部夹杂泥化软弱夹层，厚度为2~5m，分布在地下25~40m处，夹层倾角20°~25°，接近山体斜坡倾角。钻探结果显示，钻孔深度内未见地下水，但由于雨水入渗，导致该夹层含水量较高，抗剪强度明显较低。白泥沟滑坡位于金沙江峡谷地貌区，属于小江活动断裂带，新构造活动强烈，地震活动频繁。滑坡前缘存在采石场，开挖后造成卸荷作用，同地震、降雨作用一起诱使边坡产生滑动现象。滑坡现处于蠕滑阶段，滑面尚未完全贯通，滑坡前缘剪出口不清晰，滑坡后缘裂缝长约108m，宽度20~50cm，可见裂缝深度约2m，如图3，拉张裂缝倾角较大，为整体下挫变形。在建白泥沟大桥部分墩柱位于滑坡中前段，墩柱前缘土体与墩柱之间出现2~3cm裂缝，如图4，表明在墩柱建好后，坡体仍不断蠕动，与墩柱之间产生了相对位移。2模型建立与分析参数在边坡稳定性模拟分析中，以岩土体间顺滑动方向为主，横向间作用相对次要，因此本文采用二维计算程序FLAC，基于其对大变形问题的计算优势，对滑坡进行模拟分析。模型依据典型工程地质剖面图（如图5）建立，模型上部覆盖粉质黏土，中间分布软弱夹层，地质勘查为黏土层，基岩为强风化灰岩（白云质），滑坡体由粉质黏土及强风化灰岩两部分组成。模型网格划分考虑地震波在模型中的传播精度问题（岩土体均采用摩尔－库仑屈服准则，物理力学特性参数依据白泥沟滑坡工程地质勘察报告（计算结果分析时，对滑坡分析位移、最大剪应变增量。坡体位移可以直观地反映坡体的滑动情况，最大剪应变增量可以反映出坡体的剪切变形程度，其分布范围及贯通情况可以直观地表现出滑坡的破坏位置及稳定状态。对支护结构分析其剪力、弯矩和位移，这也是设计中最为关注的响应量。3滑体表面粘土层位移自重作用下，FLAC计算程序采用强度折减法计算坡体安全系数。未支护的坡体，采用FLAC及极限平衡法计算时，安全系数分别为1.35，1.25，均表明坡体在自重作用下处于稳定状态。在地震作用下，采用极限平衡法计算坡体安全系数为0.96，表明坡体处于不稳定状态。如此，对滑坡进行动力模拟计算，地震结束后模型动力响应如图10所示。从位移云图中可以看出（如图10a），地震结束后，在滑带与滑体区域发生了明显的相对位移，反映出滑体在地震的作用下出现了下滑趋势。最大位移发生在滑体表面粘土层，水平位移量为0.6~0.8m。在滑体表面靠上位置的粘土层由于坡度较大的原因，位移量大于0.8m。对滑坡进行治理时，应将这一区域的粘土层进行削坡处理，防止这部分土体发生破坏现象。从最大剪应变增量云图中可以看出（如图10b），模型的最大剪应变增量已在整个滑带区域出现贯通现象，表明这一区域剪切变形明显且集中，滑体易沿滑带产生下滑现象。剪应变增量最大值发生在滑带中间位置，达到0.15~0.175。此外在滑体中，粘土层与灰岩交界面处也存在最大剪应变增量变大的情况，但未形成连贯现象，增量值也较小，说明粘土层与灰岩层之间也会产生局部错动现象。动力计算结束后，三个监测点水平位移时程曲线如图10(c)，可以看出，监测点位移都在地震作用下随时间呈波动性，从位置上看，随着深度的增加位移量逐渐增大。滑体表面粘土层位移波动十分剧烈且位移量始终大于另外两个位置。竖向位移时程曲线如图10(d)，可以看出滑体表面及滑体中部两个监测点在前10s内的位移增长速率最大，位移量分别达到0.13m、0.09m，但在10s后至地震结束时间内位移增量只有0.02m、0.01m左右。滑带处的竖向位移十分小，最终位移量只有0.01m，波动幅度也较小，反映滑带处的竖向位移受地震影响较小。4桩体加固后抗滑桩结构参数如前所述，白泥沟滑坡属于巨型厚层基岩滑坡，该滑坡体剖面最厚处达到了27m，下滑力巨大，而单一抗滑桩主要依靠其嵌固端提供抗滑力，会导致桩体受力不合理，不能提供良好的加固效果（在FLAC模型中抗滑桩结构与连续桩键结构均采用pile单元模拟，锚索结构采用cable单元模拟。抗滑桩嵌入滑床深度为整体桩长的1/3~2/5，桩身横截面尺寸取1.5m×2.5m，密度为2400kg/m3，锚索密度为7850kg/m3。抗滑桩及连续桩键结构物理力学参数如表2。锚索中施加500kN预应力，锚索物理力学参数如表3。5不同防护结构下的动态计算结果5.1折减系数和位移曲线地震作用下的坡体安全系数采用强度折减法计算，将岩土体抗剪强度参数从图12可以看出，折减1.25~1.3系数之间时，监测点2在三种支护结构下的位移均发生突变，位移增量较大，说明坡体的安全系数在1.25~1.3之间。图13中，当折减系数为1.3时，监测点2在地震结束后的位移曲线呈上升状，位移不断增加，表明坡体已发生破坏，坡体的安全系数应小于1.3；当折减系数为1.25时，监测点2在地震结束后的位移曲线呈水平状，位移量不再增加，表明坡体处于稳定状态，未发生破坏，坡体的安全系数应大于1.25。图12和13均表明坡体在三种支护结构下的边坡安全系数在1.25~1.3之间，反映出三种支护结构均有效提高了坡体的稳定性，地震作用下坡体的安全系数满足设计要求。5.2锚索抗滑桩对滑体的影响图14为不同支护结构下，坡体在地震结束后的水平位移云图。未支护时，滑体与滑床之间产生明显的相对位移，反映出滑体在地震作用下沿滑带整体产生滑动的趋势。根据滑体的水平位移值大小，可将滑体的水平位移分为粘土层与灰岩层两个区域。粘土层位移在0.6~0.8m，灰岩层在0.2~0.6m，其中0.4~0.6m的位移范围最大，约占灰岩层的80%。在双排抗滑桩支护下，灰岩层的水平位移得到明显改善，位移值为0.2~0.4m；粘土层的位移也得到了改善，除位于坡体上部及下排抗滑桩桩顶位置的土体位移较大，位移值为0.4~0.6m，其他位置的土体位移值为0.2~0.4m。坡体上部粘土体位移较大与其坡度较大有关，下排抗滑桩桩顶土体位移较大可能是由于下排抗滑桩承担了较大的下滑力，使桩身整体产生了较大倾斜所致。从位移云图上看，双排抗滑桩对坡体位移起到了明显的抑制作用。在锚索抗滑桩和锚索支护下，除位于坡体上部粘土体位移值为0.4~0.6m，滑体其他地方位移值均为0.2~0.4m，可见锚索抗滑桩和锚索有效抑制了整个滑体的位移。对比双排抗滑桩，抗滑桩桩顶位置土体未出现位移变大的情况，反而因在锚索中施加了预应力，使桩顶土体位移量小于周围土体，可见锚索与抗滑桩的组合有效减轻抗滑桩所承受的下滑力，在两者共同作用下有效减小了滑体位移。连续桩键结构的支护效果最好，灰岩层中上部位移值为0~0.2m，未与滑床产生较大的相对位移，滑体的滑动趋势得到明显改善。粘土层位移值为0.2~0.4m，相比未支护时位移量下降了50%，粘土层位移也得到了有效的抑制。连续桩键结构虽未直接与粘土层接触，但粘土层位于灰岩层之上，粘土层位移与灰岩层相关，通过抑制灰岩层的位移间接降低了粘土层的位移。图15是滑体内部点2（见图6）在不同支护方式下的水平位移地震响应时程曲线。可以看出，三种支护方式均在一定程度上减小了滑体位移。总体上，连续桩键结构的阻滑效果最好，其次为锚索抗滑桩和锚索，双排抗滑桩最差。在地震作用中，模型的地震响应会出现放大效应，即模型响应峰值加速度大于输入地震波峰值加速度。图16展示了模型中各监测点的峰值加速度放大系数，监测点具体位置如图6。可以得到，滑体中部的加速度峰值放大系数均小于1，在三种支护方式下，均在一定程度上减小了滑体表面及滑带处的峰值加速度，总体上，双排抗滑桩对滑体峰值加速度的抑制作用最为明显。从监测点位置上看，滑体表面的峰值加速度始终大于其他两个位置。图17为不同支护结构下，坡体在地震作用下的最大剪应变增量云图。无支护下坡体最大剪应变增量沿滑带呈贯通现象，最大值发生在滑带中间位置，其值为0.15~0.175，粘土层与灰岩层之间剪应变增量增大，但其值较小，在0.025~0.05之间，也未成贯通现象。在双排抗滑桩支护下，最大剪应变增量依旧沿滑带呈贯通状，但剪应变增量有所减小，如在滑带中间位置，最大剪应变增量由无支护时的0.15~0.175减小到0.075~0.1，平均降幅达46%。抗滑桩桩身前后的滑体内未形成明显的剪切变形区，说明抗滑桩在滑体的滑动下，桩身并未产生较大的变形，但在下排抗滑桩桩顶位置，最大剪应变增量大于周围位置，说明桩顶土体剪切变形较大，这与水平位移云图中桩顶土体位移大于周围土体是一致的。在锚索抗滑桩和锚索支护下，最大剪应变增量依旧呈贯通状，但在较大程度上减小了滑带处的最大剪应变增量，如在滑带中间位置最大剪应变增量由无支护时的0.15~0.175减小到0.05~0.075，平均降幅达62%。可见锚索抗滑桩和锚索提供的抗滑力，抵消掉了坡体大部分的下滑力，从而减小了滑带处的剪切变形程度。连续桩键结构的支护效果明显，整个滑带处的最大剪应变增量明显变小，特别是设置结构区域的滑带处剪应变增量急剧减小，没有形成连贯的剪应变增量区域，滑带中间位置最大剪应变增量在0.075~0.1之间，与无支护时的0.15~0.175相比，平均降幅达62%。因此，连续桩键结构可以有效减轻滑带处的剪切变形程度，特别是设置支护结构在滑带中前段，通过阻止滑体上部的下滑，减轻滑体中下部的下滑趋势，从而起到了对整个滑体的阻滑作用。5.3支护结构的变形分析地震作用后双排抗滑桩动力响应如图18，锚索抗滑桩动力响应如图18，连续桩键结构动力响应如图20。由图18知，在桩体埋深22m（滑动面）左右，剪力方向发生变化，上部剪力由滑体下滑力引起，下部剪力由抗滑桩嵌固端提供的抗滑力引起。桩体最大剪力均由滑体下滑力引起，上、下排抗滑桩最大剪力分别为54.1kN、44.8kN。但在桩身顶部区域的剪力却与滑体下滑力引起的剪力方向相反，可能是由于桩身承受较大下滑力，导致桩身产生较大倾斜，使桩身顶部对坡体表面土体产生了推动作用，土体反作用力使桩身顶部出现向左的剪力，也导致在位移云图中桩顶土体位移大于周围土体。上排抗滑桩仅在左侧出现了较大弯矩，达到了254kN·m，下排抗滑桩在左右两侧均出现了较大弯矩，最大值分别为118kN·m、164kN·m。上、下排抗滑桩位移在埋深3m以下均呈线性，最大位移均发生在埋深3m处，分别为0.41m、0.72m。桩身位移在埋深3m处出现拐点，在此之上位移减小，反映出桩身可能产生破坏，出现张拉裂缝甚至断裂现象，反映出抗滑桩所承担的下滑力依旧较大，因此在采取抗滑桩支护时，建议采用更多排桩的支护方式，减小桩体所承担的下滑力；在抗滑桩类型上，应采用埋入式抗滑桩，避免桩顶出现推动周围土体位移的现象。如图19，受锚索预应力的影响，桩顶受到较大拉力，使抗滑桩顶部产生向左的剪力。桩身最大剪力由坡体下滑力引起，其值为28.8kN，桩身两侧均产生较大弯矩，最大值分别为39.2kN·m、71.7kN·m。与双排抗滑桩相比，剪力与弯矩均大幅减小，反映出预应力锚索改善了抗滑桩所受内力，提高了其承载能力。桩身的水平位移趋势与双排抗滑桩相反，桩顶位移几乎为0，桩底位移为0.04m，桩底位移与双排抗滑桩一致，反映出预应力锚索很好地限制了桩顶位移。从位移曲线中可以看出，在埋深2m处桩身位移出现拐点，但位移量较小，因此桩身可能处于弹性变形阶段，或产生张拉裂缝。图20显示了连续桩键结构中各桩段的最大剪力、弯矩和水平位移。由图20（a）和（b）可知，连续桩键结构承受了较大的内力，最大剪力及弯矩分别为7.4×106支护结构对滑体稳定性的影响本文采用有限差分程序FLAC对地震作用下白泥沟滑坡在双排抗滑桩、锚索抗滑桩和锚索及连续桩键结构三种不同支护结构的加固效果进行模拟对比，通过分析土层及支护结构的动力响应，结论如下：(1)未采取支护措施的坡体在地震作用下，最大剪应变增量在滑带处呈贯通状态，表明滑坡体易沿滑带滑动，发生失稳现象。在三种支护结构下，坡体的安全系数均在1.25~1.3之间，坡体稳定性得到有效提高。(2)面对下滑力较大的滑坡时，多排抗滑桩可以有效分担下滑力，解决单一抗滑桩支护时受力不合理及加固效果