抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡的数值模拟

李 旭，龚 震，周 成，陈 群，何廷全

(1.四川大学 水利水电学院， 四川 成都 610065；2.广西新发展交通集团有限公司， 广西 南宁 530029)

滑坡灾害已经是世界范围内分布最广泛、影响最严重的地质灾害之一[1]。抗滑桩是一种治理边坡的常见结构物，具有阻滑能力强、桩位布置灵活等优点，但在实际工程中传统抗滑桩不能充分发挥桩体的阻滑能力，造成材料浪费，提高了工程造价。抗滑短桩作为一种特殊形式的抗滑桩应运而生，特别是当边坡的滑动面明确、滑动面下覆基岩完整时，通过设置合适的抗滑短桩能有效稳定边坡，避免边坡产生深层滑坡[2-3]。近些年来，诸多学者对抗滑短桩的护坡作用机理和适用性进行了研究。曾红艳等[4]通过四组不同桩长下的抗滑短桩加固土坡的模型试验，研究了不同桩长加固边坡的效果。雷用等[5]依托ANASYS有限元软件，探究了作用于抗滑短桩桩后的水平推力分布形式和桩前抗力大小。宋从军等[6]对比分析抗滑短桩与悬臂式抗滑桩加固某一高边坡开挖工程的计算结果，计算结果表明抗滑短桩的桩身受力更为合理。胡时友等[7]通过抗滑短桩加固边坡的三维数值模拟计算，分析桩长对坡体受力变形的影响以及滑坡厚度与桩长的合适比值。然而抗滑短桩仅适用于滑体强度明显大于滑面强度的滑坡[8]，且要求无浅层滑面。但在实际边坡工程中，降雨作用下边坡可能存在浅层滑动面[9]，易产生边坡浅层土体从桩顶剪出并滑移的现象，即“越顶破坏”。

传统的加筋土护坡技术主要考虑筋材的水平布置[10]。但是一些学者也讨论了竖向布筋等方法，周成等[11-12]提出一种竖向布置的拉筋带技术，能够有效解决生态护坡中的优先流和植被根系长度过短的难题。曾红艳等[13]针对某一膨胀土边坡，采用竖向布置的植筋带模拟边坡裂缝的优先流，研究结果表明因竖向植筋带的持水和加筋特性，能够有效减小膨胀土边坡由于水分波动和干湿循环而产生的胀缩变形，提高边坡的抗滑稳定性。但目前该护坡技术仍处于初步研究阶段，并且相关理论依据还不够充分。

本文综合考虑了抗滑短桩和竖向布筋技术的优缺点，提出一种新型护坡技术，即抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡技术。并采用数值计算的方法，首先对某一工程边坡进行降雨入渗分析，然后对抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固的边坡和无加固的边坡的稳定安全系数、坡土变形和剪应力进行分析，探讨抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡的可行性，为日后该边坡加固技术的设计与施工提供参考。

1 计算模型及参数

1.1 数值计算模型

数值计算采用MIDAS有限元软件。计算的边坡模型的上部土体为坡积土，下部为基岩，坡体高度为10 m。参考当地气象部门降雨资料，本文数值模拟计算的降雨强度取暴雨工况100 mm/d，降雨历时3 d。

本文数值模拟计算分析降雨工况下的两种边坡，一种为无加固的边坡，另一种为抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固的边坡，见图1。

图1 抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡模型(单位：m)

根据一般坡积土边坡在降雨作用下坡脚隆起、坡顶和坡面下沉的有限元计算相关经验，在边坡坡肩、坡中、坡脚选取三个特征断面(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，坡土厚度分别为6.2 m、2.5 m、1.6 m，分别监测断面上计算得到的孔隙水压力、体积含水率、位移和土体最大剪应力等数值，其数值模拟建模图见图2。

图2 边坡数值模拟建模图

边界条件为：

(1) 位移边界。边坡模型底部(GF面)为完全固定约束，左右两侧(IG、EF面)为水平位移约束，模型顶部(IA、AD、DE面)为自由边界。

(2) 水头边界。假定初始地下水位线水平且与DE面等高，数值模拟计算中分别在模型左右两侧施加10 m的节点水头。

(3) 降雨边界。模型顶部IA、AD、DE面为降雨入渗边界，在数值模拟计算中采用曲面流量(100 mm/d)边界条件模拟降雨入渗。

数值模拟计算中，上部坡积土和下部基岩采用2D平面应变单元进行模拟；坡面网格梁为矩形断面，几何尺寸为0.2 m×0.2 m，采用1D梁单元进行模拟；抗滑短桩为圆形断面，直径d为1 m，桩间距为3d(3 m)，抗滑短桩嵌固段长度统一取3 m，桩长分别为4.5 m和3.6 m，位置处于Ⅱ、Ⅲ监测面处，采用1D梁单元进行模拟；考虑到植筋带仅受拉、不受压的特性，采用1D土工格栅单元进行模拟，两束植筋带的长度皆为1 m，截面积为0.06 m2。在数值模拟计算中采用两个大小相等、方向相反的集中力分别模拟植筋带与抗滑短桩、坡面网格梁的相互作用，综合考虑植筋带、抗滑短桩与周围土体的摩擦力，在下滑推力的作用下，集中力统一取5 kN[14]。

1.2 参数选取

边坡土体单元采用Mohr-Coulomb本构模型，抗滑短桩、竖向植筋带、坡面网格梁单元采用弹性材料本构模型。植筋带材料参数参考土工格栅单元选取[15]，具体的材料参数见表1。

表1 数值计算材料参数

考虑到桩-土界面、植筋带-土界面的相互作用，接触界面采用无厚度的Goodman单元进行模拟，接触界面的参数假定见表2。坡积土的饱和渗透系数为1.829×10-3cm/s、基岩饱和渗透系数为7.39×10-6cm/s；土体的土水特征曲线采用Van-Genuchten模型[16]，土体的土水特征参数选取参考文献[17-18]，具体参数见表3。

Van Genuchten关于土-水特征曲线的函数表达式[15]为：

(1)

式中：θ为体积含水率，取值范围为[θr，θs]；θs为饱和体积含水率，%；θr为残余体积含水率，%；α，n，m为拟合参数，其中m=1-1/n；φ为基质吸力。

表2 接触界面特性参数

表3 土体非饱和特性参数

2 计算结果及分析

2.1 边坡降雨入渗分析

2.1.1 孔隙水压力分布

抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡的方案在运用到实际边坡工程时，通常会在竖向植筋带处进行坡面防渗处理并将周围土体压实，避免降雨沿竖向植筋带形成优先入渗通道，因此本文仅考虑无加固边坡的降雨入渗分析。

边坡降雨入渗分析主要包括初始稳态渗流和降雨过程中的非稳态渗流两部分。初始稳态渗流(未降雨)和降雨过程中的瞬态渗流(降雨1 d、2 d、3 d)下边坡土体内部孔隙水压力的变化规律见图3。

在图3(a)初始时刻，由于假定左端为无限长且未考虑坡体的初始蒸发，因而初始时刻的孔压呈现水平等值线分布。浸润线以上孔隙水压力为负，在坡顶处达到最小值接近大气压为-100 kPa，且此处吸力值最大；浸润线以下孔隙水压力为正，最大值为100 kPa。在图3(b)、图3(c)、图3(d)中，随着降雨历时的增加，孔隙水压力等值线图呈明显的环状分布。随着降雨的不断入渗，浸润线以上坡体内部孔隙水压力逐渐增大，非饱和区逐渐减小，吸力逐渐丧失，坡顶处吸力值从降雨初始时刻的100 kPa减小到降雨结束时刻的14 kPa。

三个监测断面上，沿坡体厚度孔隙水压力的变化规律见图4。在图4中初始稳定渗流阶段的孔隙水压力均为负值，且沿坡土厚度线性增加。随着降雨历时的不断增加，雨水不断补充地下水位，在图4(b)、图4(c)出现孔隙水压力为零的现象，即在监测断面出现暂态饱和区，且随降雨历时不断扩展延伸。而Ⅲ断面(坡脚处)的孔隙水压力明显大于Ⅰ、Ⅱ断面(坡肩、坡中处)，使此处基质吸力更小，因此降雨入渗更易使坡脚处产生失稳破坏。

图3 不同降雨历时下边坡的孔隙水压力分布等值线图(单位：kPa)

2.1.2 体积含水率分析

三个监测断面的体积含水率沿坡土厚度的变化规律如图5所示。由图5(a)可知，随着降雨历时的增加，坡土含水率逐渐增加，且影响深度越来越深，但始终未达到饱和体积含水率0.3。由图5(b)、图5(c)可知，随着降雨入渗的增加雨水逐渐汇集到距坡脚较近的区域，坡土体积含水率逐渐增大到饱和体积含水率0.3，即出现暂态饱和区。由图5(c)可知，随降雨时长的增加，坡脚处暂态饱和区的范围不断扩展延伸，地下水位线由降雨初始时刻的0 m、降雨1 d时的0.4 m、降雨2 d时的0.7 m，到降雨结束时刻的1.0 m。因此，降雨导致的滑坡大多先在坡脚附近产生局部失稳破坏进而引发牵引式滑坡，实际工程中在坡脚处布置透水挡墙等疏水排水工程设施能加速坡脚水分排出而有效稳定坡脚土体。

图5 不同监测断面体积含水率分布图

2.2 边坡稳定安全系数计算分析

利用MIDAS GTS NX数值模拟有限元软件，结合强度折减法，按相同比例降低土体的黏聚力c和内摩擦角φ的正切值，直到某一强度折减率下数值模拟计算不收敛或特征部位位移突变或塑性破坏区贯通，认为此时土体发生破坏，该强度折减率即为边坡稳定安全系数[19]。分别计算无加固的边坡和抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固的边坡在初始稳态渗流和瞬态渗流(降雨1 d、2 d、3 d)下的边坡稳定安全系数，边坡稳定安全系数的计算结果如表4所示。计算得到的潜在滑动面分别见图6(a)、图6(b)。

表4 不同加固方案边坡稳定安全系数随降雨历时变化规律

由表4可知，边坡稳定安全系数随着降雨历时的增加而不断减小。参考《滑坡防治工程勘察规范》[20](DZ/T 0218—2006)的规定，无加固的边坡在初始稳态渗流下边坡稳定安全系数1.0501.150，边坡处于稳定状态；在降雨结束后，边坡稳定安全系Fs=1.284>1.150，仍处于稳定状态。图6(b)塑性区显示降雨结束后抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡的潜在滑动面没有完全贯通，边坡仍处于稳定状态。证明该加固方案有较为明显的加固效果，能有效稳定边坡。

图6 降雨结束后两种加固方案下边坡的潜在滑动面

2.3 边坡位移分析

由于数值模拟计算中竖向沉降变形较小，故本文主要考虑降雨作用下边坡水平向的位移变形情况。

无加固边坡和抗滑短桩锚拉竖向植筋带加固边坡模型的最大水平位移均出现在坡脚处(断面Ⅲ)，见表5。由表5可知，无加固的边坡在降雨结束后最大水平位移为10.03 cm，位移较大，边坡处于失稳状态；而采用抗滑短桩锚拉植筋带加固的边坡模型的最大水平位移为2.17 cm，位移减小幅度达78.39%，说明抗滑短桩锚拉植筋带加固方案能有效抑制边坡发生较大位移变形，保持边坡的稳定。

2.4 边坡土体最大剪应力分析

为了分析有、无加固的边坡土体的受力情况，对降雨结束后三个监测断面上最大剪应力的变化规律进行整理分析，具体计算结果见图7。

表5 不同加固方案的边坡最大水平位移

图7 不同监测断面计算的土体最大剪应力

图7中无加固边坡的最大剪应力沿坡土厚度呈线性增加的趋势。由图7(a)可知，由于抗滑短桩锚拉植筋带布置在边坡下部，故处于边坡上部的监测断面Ⅰ上的土体所受最大剪应力有所减小但不明显。

由图7(b)、图7(c)可知，由于监测断面Ⅱ、Ⅲ位于边坡加固断面附近，抗滑短桩与植筋带承担了部分下滑力，断面Ⅱ(坡中)上土体最大剪应力可由33.22 kPa减小至22.38 kPa，断面Ⅲ(坡脚)上土体最大剪应力可由33.45 kPa减小至14.30 kPa，坡土最大剪应力减小幅度最高可达57.25%，说明抗滑短桩锚拉植筋带加固方案能有效降低边坡土体所受最大剪应力，保持边坡的稳定。无加固边坡在植筋带加固和抗滑短桩加固两个范围内，最大剪应力变化曲线几乎互相平行；而在加固后，两个范围内的最大剪应力曲线斜率显著不同，出现了明显的拐点，这是因为桩后土体在土压力或滑坡的作用下产生位移，而抗滑短桩的存在使桩后土体位移受阻，进而产生“土拱效应”，降低了土体所受最大剪应力[21]。在抗滑短桩顶部到边坡表面布置竖向植筋带，能够加固该范围内的土体，有效避免单独使用抗滑短桩护坡时“越顶破坏”现象的发生。

3 结 论

(1) 在降雨入渗作用下，边坡土体孔隙水压力、体积含水率增加，非饱和区基质吸力降低，一段时间后首先在坡脚区域出现暂态饱和区，因此降雨导致的滑坡大多先在坡脚附近产生局部失稳破坏；随着降雨历时的增加，雨水不断补充地下水位，使得地下水位线抬升，暂态饱和区不断扩展和延伸，边坡稳定性逐渐降低。

(2) 在假定坡面上植筋带处有良好的防水防渗的条件下，抗滑短桩锚拉植筋带加固方案使得降雨结束后边坡从无加固方案的失稳状态转变为相对稳定状态，同时该加固方案能使得降雨结束后边坡最大水平位移变形减小幅度达78.39%，有效抑制边坡的水平位移，具有明显的边坡加固效果。

(3) 抗滑短桩锚拉竖向植筋带能有效发挥阻滑作用，承担坡土的部分下滑推力，使得坡土的最大剪应力最高减少57.25%；在土压力或剪切位移的作用下，植筋带受力拉伸，牵动布置于坡面的网格梁对坡面施加一个反向压力，根据摩尔-库仑强度理论可知这将进一步提升坡土的抗剪强度，形成一个完整的压剪组合边坡加固系统，与数值计算结果一致；通过在抗滑短桩桩顶到坡面的这段范围内的土体中设置合适的竖向植筋带，能降低桩顶以上土体的剪应力，避免了仅靠抗滑短桩护坡时可能出现的“越顶破坏”现象。