基于现场监测数据的岩质高边坡加固有限元分析——以贵州山区某岩质高边坡为例

张志沛，韩 彪，贺阳阳，屈 昊

(西安科技大学地质与环境学院，西安 710054)

岩质高边坡治理后的变形监测和稳定性分析一直是相关工程技术人员的重点关心问题。山区岩质高边坡的地质问题更为复杂，在勘察和设计阶段很难完全掌握。前人在岩质边坡变形演化及破坏机制、数值模拟方法以及监测等方面取得了一些成果，郑颖人等[1]和赵尚毅等[2]论证了有限元强度折减法在岩质边坡稳定性分析方面的适用性。张志沛等[3-4]通过数值模拟对比分析了有限元法和极限平衡法，并指出边坡变形破坏与降雨存在一定的滞后现象。徐奴文等[5]利用Geo-solp软件结合监测资料验算并评价了岩质边坡加固后的稳定状况。李大茂等[6]对全强风化岩质边坡失稳机制进行了研究，指出全强风化岩体遇水容易软化,对于边坡的稳定十分不利。石盼[7]利用模型试验研究了含软弱结构面顺层岩质边坡破坏机理。李国维等[8]利用监测数据结合快速拉格朗日有限元差分(fast Lagrangian analysis of continua 3D，FLAC3D)数值模拟软件对锚索加固设计方案进行优化。田仕明等[9]运用ABAQUS进行降雨条件下的有限元分析，观察了坡体位移场的变化规律。欧光照等[10]基于UDEC(universal distinct element code)研究了顺层岩质高边坡变形破坏模式。但在高速公路建设及运营过程中，仍然有大量的边坡破坏发生，危及施工及运营安全，根本原因还在于前期稳定性分析方法欠妥，使得设计方案与边坡实际受力变形特征不符。

通过监测资料与数值模拟结合共同分析岩质高边坡稳定性，解释坡体内部复杂的应力、应变环境，通过数值模拟结果的反馈，获得最优的边坡治理方案，并论证方法可行性。

瓮安高速公路某岩质高边坡在三级平台抗滑桩施工完成后，原有设计加固措施不能阻止滑体下滑，滑坡此时正处于临危状态，通过FLAC3D数值计算软件对已完成三级平台抗滑桩施工的岩质边坡进行模拟，反演分析得到的数值计算结果与监测资料位移量大致吻合，以此确定出危险滑动面的分布情况，再通过数值计算分析二次加固变动抗滑桩位置对滑体的位移、剪应变增量和滑带分布的影响，以此确定优化加固方案。研究结果可供该滑坡施工及当地类似高岩质滑坡工程参考。

1 工程概况

1.1 滑坡地质环境

研究区为江瓮高速公路，路段沿线工程地质条件复杂，属构造剥蚀中低山地形地貌，高程590～650 m，山坡植被较为发育。年均降雨量1 269.6 mm，降雨多集中在5—10月，地表水主要为大气降水形成的地表径流汇集而成的雨源型沟溪水，降雨对边坡有一定的冲刷作用；地下水为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水。滑坡前缘宽约150 m，后缘宽约100 m，沿主滑方向长约120 m且与路线方向成90°夹角，平均厚度20 m，滑坡体积约2.4×104m3，属牵引式滑坡。滑坡平面位置如图1所示。

图1 滑坡平面图及现场监测点布置

研究区滑坡地层岩性自上而下依次为①第四系残坡积层、耕植土层：黄褐色，一般厚度较小，大部呈硬塑状，整层土质松软；②强风化砂质泥岩：一般厚度较大，风化程度较强烈，岩体较为破碎，半岩半土状、碎石夹土状，强度及稳定性一般；③中风化砂质泥岩：节理裂隙较发育，岩质较硬，稳定性较好。研究区域地质构造简单，未发现区域性活动断裂通过，地震基本烈度为Ⅵ度。该滑坡的滑带由中分化砂质泥岩与强风化砂质泥岩交界处的软弱夹层形成，滑体由强风化砂质泥岩和上覆的碎石土共同组成，滑床主要为中风化砂质泥岩，具体滑坡全貌如图2所示。

图2 滑坡全貌

1.2 已采取的加固措施

边坡最大高度34 m，为四级台阶边坡，台阶宽度2 m，一、二、三级边坡高均为8 m，四级边坡到达坡顶。边坡坡率为一、二级边坡1:0.75,第三级边坡1:1，第四级边坡1:1.25。各坡面加固措施为一、二、三级边坡为窗孔式护面墙，第四级坡面为浆砌片石菱形网格植草。2015年6月三级边坡上部平台施工完成一排长33 m，桩径3 m×2.4 m的抗滑桩，监测资料显示边坡变形仍在发展。滑坡后缘出现较大变形产生裂缝，裂缝呈间断连续弧形展布，长几米到几十米不等，宽为1～3 cm，切割深度为0.4～2 m，形成了一个长140 m的圈椅状裂缝，已施工抗滑桩桩顶监测出现3～4 cm的推移变形。具体滑坡剖面如图3所示。

图3 地质剖面及监测滑面线位置

2 监测数据分析

该段共设有5个深部监测孔，具体平面布置位置如图1所示，5个孔均在2015年1月布置完成。坡体前缘已加固抗滑桩，共计21根。选用的JC09、JC12位于整个滑体中部，两监测点连线沿着滑坡主滑方向。

两监测孔在滑带处累计监测位移统计如图4所示。分析监测资料得出：①1月13日至5月28日，JC09的总累计位移为14 mm(0.102 mm/d)，JC12的总累计位移为21.3 mm(0.155 mm/d)，监测结果显示位移在持续增长，但增速缓慢;②2015年5月28日至2015年6月6日雨季节来临，JC09监测点位移发生骤增，十天内的位移总量达到22 mm(2.2 mm/d)，相比六月增长11倍，分析原因是降雨导致滑带强度下降，滑体下滑所致;③位于三级平台的16号抗滑桩累计位移量为3.1 cm，18号抗滑桩累计位移量为3.5 cm; ④从6月之后的趋势曲线可以看出：降雨过后JC12监测孔的位移曲线趋于平缓，JC09监测孔的位移曲线变形速率明显减小，但总位移量仍在增大，滑坡整体处于变形增长状态。

图4 JC09、JC12滑带处累计监测位移

图5 深部位移监测累积位移曲线

研究区布置的JC09、JC12深部位移监测孔数据如图5所示。由图5可知，截至3月30日，JC09、JC12监测位移变化相对平缓，累计位移量虽持续增长，但尚未突变，说明滑坡正处于蠕滑阶段；JC09监测孔在4月16日的累计位移监测曲线变形平缓，未出现位移突变；JC12监测孔4月16日在7～8 m深度处出现位移突变，从11 mm变为22.3 mm。监测资料JC09揭示出该位置滑坡滑面深度在12～14 m，为强风化砂质泥岩与中分化砂质泥岩交界的软弱带处。JC12位于滑坡后缘，揭示出的滑面深度为6～8 m。

基于深孔监测资料得出：①JC09处的滑带深度为12～14 m，JC12处为6～8 m；②潜在滑面位置为地层分界线处，强风化砂质泥岩与中分化砂质泥岩交界面；③季节降雨是滑坡位移骤增的原因。监测资料得到的滑移线位置如图3所示。

3 数值计算及结果分析

3.1 FLAC3D模型的建立及参数选取

模型采用ANSYS生成可供FLAC3D识别的模型单元文件和节点文件，为精确计算，在网格长度划分上，细分了研究区域(滑动带)的网格长度，边界处按5 m划分，滑带区域按3 m划分。模型取边坡长120 m、宽10 m、高100 m，边界条件为下部固定约束，左右两侧法向约束，上部为自由边界。模型共划分为26 598个节点和23 280个单元，边坡数值模型如图6所示。

图6 边坡数值模型

采用FLAC3D有限差分软件对该滑坡的稳定性计算，在该模型中岩土体采用Mohr-Coulomb 本构关系，并选用弹塑性模型，抗滑桩采用FLAC3D内置的Pile模块进行建立，初始应力场为重力场。

根据前期勘察结果，给出模型计算初始参数，调整参数让模拟滑面向监测数据确定的滑移面位置相靠拢，若两滑移面重合，则可以验证模型参数选取正确；否则调整所用参数，直至两滑动面基本重合为止。

通过计算，模拟得到三级平台抗滑桩加固后变形状态，最终确定出的岩体参数如表1所示，抗滑桩参数如表2所示。

表1 岩体物理力学参数

表2 抗滑桩力学参数表

3.2 模拟计算值与监测结果对比分析

在初始条件中，不考虑构造应力，仅考虑重力产生的初始应力场。从初始场总位移云图得出：未开挖时研究区沉降量分布均匀，呈现出由深到浅逐渐递减的规律。最大沉降量为1.1 mm，分布在覆盖层较厚的坡顶附近的全风化砂质泥岩层。位移量的大小与堆积层的厚度有关，堆积层厚度越大，其沉降位移量越大。经三次开挖和三级平台抗滑桩加固后，对比监测数据与数值计算结果如表3所示。

表3 监测数据与模拟计算结果对照表

图7所示为数值模拟滑面与监测资料滑面耦合图，滑面位置和形状均与监测滑面显示出良好的一致性。监测滑面与数值计算滑面基本吻合，证明了模型建立和参数选取的合理性，能够解释坡体所处的状况。基于此得到该模型对比分析滑坡再次加固补强状况以及滑坡整体的稳定性是可靠的。

图7 数值模拟滑面与监测资料滑面耦合图

3.3 原抗滑桩加固计算结果反演

由图8(a)可知：经原抗滑桩加固，桩身将原有滑体分为前后两个部分，最大剪应变增量集中分布于桩前滑体，在坡脚部位最为明显。整个滑坡的剪切变形在坡体滑移面上最为明显，其剪切变形趋势与滑坡走向以及岩土分界面形状相同，表明其破坏面会发生在边坡的软弱交界层上，与实际工程理论分析相吻合。

坡体稳定系数为1.02

原抗滑桩加固有效性分析如图8(a)所示，滑带整体呈弧状分布，三级平台加固抗滑桩后，抗滑桩至坡顶处剪应变增量相较于桩前的剪应变增量减小了60%，最大剪应变增量集中分布于抗滑桩前部，说明原抗滑桩的施做使得滑体内部出现了应力重新分布现象，桩后滑体剪应变增量得到了显著减小。

自2015年5月28日至6月27日监测发现16#抗滑桩累计位移量为3.1 cm，18#抗滑桩累计位移量为3.5 cm，该阶段坡体处于不稳定状态。由平面布置图(图1)可以看出16#、18#抗滑桩位于JC09前，JC09位于两抗滑桩中线之后。6月27日JC09处的累计监测位移为3.3 cm，与前端抗滑桩变形位移大致相同，位移量为13.3 cm。可见坡体变形还在发生。滑体内部位移云图分布均匀，没有出现位移量突变情况，说明滑体是整体移动的，这与岩质滑坡实际滑移特征相符合。

原抗滑桩加固必要性分析：据图8(a)显示，三级坡抗滑桩前的坡体已形成贯穿至坡脚的剪应变带；从图8(b)可以看出，后部滑体的下滑趋势虽然得到控制，但桩身仍出现3～4 cm水平方向变形，分析认为桩身变形由季节性强降雨所致。滑带位移监测资料(图3)同样反映出滑坡变形仍在发展。数值计算得到的坡体稳定系数为1.02，滑坡处于不稳定状态，急需进行进一步的加固治理措施。

3.4 抗滑桩加固治理方案优化

在固定桩长为30 m、桩平距10 m前提下，改变抗滑桩桩位，变换后抗滑桩分别位于一级平台、二级平台及三级平台上部。对此进行计算，得到滑坡加固的效果具体如图9所示。

图9 不同桩位滑坡稳定系数

坡体稳定系数为1.25

根据模拟计算结果，当抗滑桩位于一级平台处时，坡体会从一级平台上剪出，发生冒顶破坏；抗滑桩位于三级平台上部时，坡脚位移为19.2 cm，稳定系数仅为1.03，桩前滑体剪应变没有得到控制，为最不利加固位置；抗滑桩位于二级平台时，加固效果最优。

二级平台抗滑桩加固后的数值计算结果表明：坡脚处剪应变最大值3.590 5×10-1[图8(a)]，加固后坡脚处剪应变为3.261 9×10-1[图10(a)]，减小了9.8%。坡脚处最大位移从13.3cm减小到10.3 cm，相比减小了22.5%。桩后滑带剪应变增量从1.261×10-1变为1.0×10-1，减小了20.69%。此结果施工抗滑桩后，滑体的剪切变形得到了较大程度的控制，不仅起到阻止前部滑体滑移的作用，还承受了三级平台桩后滑体一定的下滑力。二级平台抗滑桩将贯穿滑带，将其切断成两部分，前部滑带剪切力分为两段，下滑力由两排桩共同承担。经二级平台抗滑桩加固后的坡体稳定系数为1.25。

4 结论

在对江口至瓮安高速公路某岩质高边坡现场监测数据分析的基础上，结合FLAC3D数值模拟，在反演并评价了原抗滑桩加固治理后，得到滑坡所处应力状况及稳定性。根据反演结果结合变换桩位模型，计算得到合理的加固方案。结论如下。

(1)监测数据分析表明：JC09监测孔处滑带深度为12～14 m，JC12位置处为6～8 m；且滑动类型为降雨诱发型，滑坡正处于不稳定状态。

(2)基于观测资料，通过对三级平台抗滑桩施工过程的反演分析，该滑坡加固后桩后滑体相对于桩前滑体剪切应变增量减小了60%；桩前滑体出现贯穿至坡脚处的剪应变带，滑坡稳定系数1.02。

(3)变换桩位模型得到的计算结果表明，合理的加固方案为加桩位置位于二级平台，该工况滑坡所能达到的稳定系数最高，为1.25。

(4)对原有的直接赋参计算理论进行了改进，基于监测数据的反演计算得到滑坡研究所需的物理力学参数。结合单因素分析理念，获得模拟计算后的最优设计和施工方案。在验证方法合理可行的基础上初步解决了工程实际问题。