抗滑桩组合结构支护滑坡的分析研究

于 纳

(蚌埠市水利勘测设计院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 前 言

滑坡此类自然灾害在国内频发，对此学者们也进行了大量的研究，车晶等对滑坡区域在天然、暴雨及地震工况下的稳定性进行了分析，分析结果表明：对于此类滑坡采用抗滑桩+锚索肋板墙的组合加固措施，能够起到防止滑坡滑动的目的[1]。马和文等对丽江某滑坡进行了成因分析，并提出了削方减载+锚索框格梁+护脚挡墙+截排水沟治理措施，并通过现场监测对治理方案进行了效果评估，评估结果表明以上方案是可行的[2]。曲万江针对隧道滑坡提出了采用抗滑桩的治理方案，经此减小坡体的扰动，并通过后期监测对治理方案进行了评估，评估结果表明：抗滑桩方案治理成本低、效果好[3]。曹松傑等进行折线法将滑坡在天然、暴雨和地震工况下的稳定性进行了研究，研究结果表明：折线法计算的滑坡安全性与实际相符，在工程中可以应用折线法进行滑坡安全性的计算[4]。冯兴亮等对某高速公路滑坡进行了分析，重点对滑坡进行了勘察，确定了滑坡滑面，并认为以此制定的滑坡治理方案更符合实际[5]。陈佳伟等引用了钢管桩对滑坡进行了治理，通过研究表明：钢管桩施工快、占地少、阻滑效果好，在小型滑坡中应用效果更佳[6]。彭成等对碎石土滑坡进行了研究，研究结果表明：地下水原因是导致碎石土滑坡生成的主要原因，降雨入渗能够加剧滑坡滑动[7]。张雄伟通过传递系数法对滑坡治理进行了研究，研究结果表明：以滑坡破坏模式提供的治理措施，治理效果更好[8]。祁玉超等对不同灌木种植下的边坡固坡进行了研究，研究结果表明：超过50o的灌木易导致滑坡发生整体失稳[9]。易宙子等对坡率<1∶2的边坡进行了研究，研究结果表明：浅层边坡的工程岩土体有一定的特征，边坡设计时应当结合坡体特征进行综合设计[10]。

然而以上的研究没有对抗滑桩+锚杆+喷混凝土的治理措施进行分析，基于此文章结合一实际滑坡工程，利用数值模拟技术对抗滑桩+锚杆+喷混凝土的治理措施进行评价。

1 工程概况

该边坡位于某市，如图1所示，滑坡主要由风化土、风化岩和软岩组成，滑坡的物理力学性质如表1所示，结合工程经验选择抗滑桩+锚杆+喷混凝土的组合支护方式。

表1 岩土体物理力学参数

图1 边坡平面图

2 数值模拟

2.1 模型的建立

因MIDAS能够较好的还原滑坡现状，选择MIDAS进行边坡的数值研究，文章主要研究的是支护作用下的滑坡稳定性，因此暂不考虑土拱效应的影响[11-14]。

支护措施如图2所示，喷混凝土采用的是2D板单元，抗滑桩采用梁单元进行模拟，锚杆采用的是植入式梁单元，以上三者的扭转常量IX为8.7×10-3m4、4.9×10-1m4和3.8×10-8m4，扭转应力系数分别为3.4×10-1m、7.5×10-1m和1.3×10-2m，截面惯性矩(IY和IZ)为5.2×10-3m4、2.4×10-1m4和1.9×10-8m4，有效剪切面积(AY和AZ)为2.1×10-1m2、1.6m2和4.4×10-4m2，剪切应力系数(GY和GZ)为6m-2、7.5×10-1m-2和2.7×10-3m-2。

图2 滑坡支护结构图

2.2 水平和竖向位移

数值模拟计算至滑坡稳定时结束，滑坡的整体位移如图3所示。

由图3(a)可知，坡体整体位移主要集中于风化土区域，最大的整体位移发生于坡脚处，最大位移数值为8.4mm，结合工程位移要求，最大位移不超过20mm，说明此治理措施下滑坡的位移是控制在工程允许的范围内。

进一步将滑坡进行切面，由图3(b)可知，坡体整体位移同样集中于风化土区域，最大的整体位移发生于坡脚处，最大位移数值为7.3mm，超过5mm的整体位移占所切滑坡面的6%，结合工程位移要求，最大位移不超过20mm，说明此治理措施下滑坡切面的位移是控制在工程允许的范围内。

由图3可知，坡体整体位移≤20mm，说明治理措施下达到了防止滑体进一步滑动的目的。

(a)坡体整体位移(单位：mm)

锚杆所受的轴力如图4所示，由图4分析可知，中部区域锚杆的轴力受力较大，上下两端锚杆所受轴力较小，原因是滑面是弯曲的，中部区域锚杆所受的土压力或滑坡推力较大，而上下两端滑面区域包围锚杆部分面积较小，导致锚杆所受的土压力或滑坡推力较小。

图4 锚杆所轴力(单位：kN/m2)

同时分析锚杆的受力可知，最大轴杆受力为1.9×106kN/m2，此锚杆所占整个锚杆比例约4%，超过65%的锚杆受力不超过1.0×106kN/m2，而结合轴杆的材料属性可知，锚杆所受的极限应力为2.4×108kN/m2，因此最大锚杆的受力远小于锚杆的极限承载力，可认为锚杆材料的选择是合理有效的，满足工程要求。

由图5(a)可知，滑坡体的塑性区域并没有贯通，塑性区域集中于坡脚处，说明滑坡体不会发生滑动，但是若滑坡体发生滑动，剪出口必定是坡脚处，此区域易发生塑性破坏。同时潜在滑动面区域范围较大，明显较勘察出的滑动面大，若设计按照勘察结果，设计的抗滑桩和锚杆的尺寸必定偏小。

由图5(b)可知，滑坡体切面的塑性区域没有贯通，塑性区域集中于坡脚处，所占整个切面的约12%，说明若滑坡体发生滑动，剪出口必定是坡脚处。

利用MIDAS辅助功能进一步搜索潜在滑动面如图5(c)，塑性区主要集中于坡脚处及接近坡脚区域，说明坡脚是治理的重点，结合此潜在滑动面可知，锚杆的设计明显偏小，应当适当加长锚杆的长度，让设计的锚杆穿过潜在滑动面区域，以达到防止坡面滑动的目的；抗滑桩中部是穿过潜在滑动面区域的，说明抗滑桩的设计是满足工程要求的。

(a)坡体塑性区

3 结 论

文章结合一实际滑坡工程，采用抗滑桩+锚杆+喷混凝土的组合支护方式，并通过数值模拟对坡体的整体位移、锚杆的受力和滑体的塑性区域进行了研究，研究结果如下：

1)滑坡体的整体位移最大为8.4mm，此位移小于工程要求的20mm，甚至<10mm，说明了滑坡体的整体位移是控制在合理的范围内，整体位移不会对工程造成安全隐患。

2)锚杆所受轴力呈现两头小，中间大的趋势，原因是滑动面在坡体中间区域范围较大，致使锚杆的受力不均匀，因此建议将上下两头的锚杆的刚度适当减小，中间锚杆的刚度适当增加，可减小工程造价，同时也可以保证工程的安全性。

3)滑坡体的塑性区域分析可知，滑动面并未贯通，说明了治理措施是合理有效的，但是塑性区域集中于坡脚处，说明坡脚处将来易发生剪出破坏；另一方面从潜在滑动面范围可以分析，锚杆的设计长度是不够的，应当适当增加锚杆的长度，抗滑桩的设计长度是满足要求的。