滑坡抗滑短桩的受力特性模拟研究

摘要

抗滑短桩是滑坡常用的治理措施之一，应用较为广泛，但其承载机理尚不清晰。采用FLAC^3D模拟程序建立不同长度抗滑短桩加固滑坡的数值模型，分析滑坡模型变形特征以及抗滑短桩受力特性，进一步揭示抗滑短桩加固滑坡的受力特性。研究结果表明：（1）不同长度的抗滑短桩可显著提高滑坡的整体稳定性；（2）随着抗滑短桩桩长的增加，桩身受力趋于均匀，桩-土协同作用增强，滑体最大位移逐渐降低，但降低速率减小；（3）自由段桩长与滑体厚度比值<0.6时，滑坡出现“越顶”破坏现象；（4）建议抗滑短桩的自由段长度与滑体厚度比值取为0.7~0.9。

关键词

滑坡; 抗滑短桩; 受力特性; 越顶; 数值模拟

0 引言

抗滑短桩又称埋入式抗滑桩，是在传统抗滑桩的基础上发展起来的，为桩顶标高低于滑坡体表面一定深度的抗滑桩^［1］，适用于滑体强度明显大于滑面强度的滑坡，且无浅层滑坡，仅需通过对滑带及其附近的加固即可提高整体稳定性。抗滑短桩因其刚度大、桩长短，其受力将大大降低，可显著降低滑坡工程造价，是滑坡防治工程中一项重要的技术，近年来得到大量推广和应用^［2］。

对于抗滑短桩，在其他条件不变情况下，桩长增加会逐渐提高滑体的稳定系数，但会增加桩身受力，使其增加桩身截面面积才能发挥其承载能力，因此，增加桩长可能带来较大的安全隐患和较高的工程造价^［3］。抗滑短桩能够与桩周土体产生明显的桩-土协同作用，在进行抗滑短桩设计时，考虑桩-土协同作用的情况，作用于桩身的剩余下滑推力比不考虑时减小约10%^［4］。在抗滑短桩应用过程中，抗滑短桩的桩顶标高通常低于坡表标高，可能会产生越顶现象，雷用等^［5］对重庆云阳县太公沱至余家包库岸大咀段库岸采用抗滑短桩治理的工程进行了有限元分析，得出该段库岸滑坡采用桩长12 m的抗滑短桩支护，能够满足稳定性要求。蔡强等^［6］开展了钢管抗滑短桩受力特性物理模型试验研究，得出钢管短桩能发挥抗滑效果的桩长下限值，即钢管抗滑短桩位于滑体中的长度应不小于滑体厚度的2/3。曾红艳等开展了抗滑短桩支护土坡的试验研究，研究了不同长度的抗滑短桩对土坡的支护作用机理，认为在实际工程中应联合使用抗滑短桩与坡脚挡墙以同时加固深层土体及浅层坡土确保整个边坡达到稳定安全状态^［7］，同时建议对可能出现的越顶现象及浅层滑动，建议采用抗滑短桩联合坡脚挡墙共同加固^［8］。针对抗滑短桩加固边坡产生的“越顶破坏”现象，李旭等^［9］提出了抗滑短桩通过竖向植筋带锚拉坡面网格梁兼顾浅层和深层防护的边坡加固技术，并采用数值计算的方法对其进行研究，得出抗滑短桩锚拉竖向植筋带能够承担部分下滑推力，使降雨结束后边坡从无加固时的失稳状态转变为相对稳定状态，有效避免了边坡浅层土体“越顶破坏”现象的发生。陈权川等^［10］揭示了抗滑键在含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡中的承载性能与破坏模式。抗滑桩短桩在滑坡防治工程应用较为广泛，但工程技术人员在抗滑短桩设计时通常依靠经验设定桩长和截面尺寸，缺乏一定的理论依据，导致抗滑短桩存在一定的安全隐患。因此，需要开展深入的抗滑短桩的承载机理研究，为抗滑桩桩长和截面尺寸等参数提供理论依据。

目前，滑坡抗滑桩工程主要采用数值模拟的方法，如大型有限元分析^［11-16］_。近年来，岩土工程中逐渐选择更适宜于地质岩土体分析的快速拉格朗日差分分析软件（FLAC^3D）^［17-21］。FLAC^3D程序采用显示有限差分原理，采用快速拉格朗日算法可以模拟岩土体的三维力学行为，且该算法在计算中不形成刚度矩阵，不需要迭代满足弹塑性应变关系，仅需要通过应变来计算应力，因此对于大体积、划分单元较多的非线性岩土体分析是较为适宜的^［22-23］。

基于此，本文采用FLAC^3D软件，建立抗滑短桩加固滑坡的数值模型，分析滑坡模型变形特征以及抗滑短桩受力特性，进一步揭示抗滑短桩加固滑坡的受力特征，提出合理的桩长范围，研究成果对于抗滑短桩的优化设计具有一定的指导意义。

1 数值模型及参数

抗滑短桩加固滑坡的数值模型采用FLAC^3D程序模拟。滑坡模型（图1）尺寸为240×100×180 cm，由滑体、滑床和滑面组成，其中滑体和滑床采用FLAC^3D自带的四面体单元构成，滑面由接触面单元模拟。滑体、滑床和滑面均服从Morh‑Coulomb破坏准则^［17］，模拟参数见表1。该滑坡数值模拟是根据已开展的物理模型试验^［6］建立的，在物理模型中，滑床采用强度等级为42.5R的水泥与黄粘土混合调配而成，用以模拟完整性较好的基岩层，水泥：黄粘土质量比为1∶10，黄粘土的含水率约10%。滑体土采用粉碎并筛分的砂岩条石与粉质粘土充分搅拌而成，保证粒径>2 mm的颗粒质量超过滑体土总质量的50%，使滑体土有一个良好的级配。再根据滑体土的干湿程度对其含水率进行适当调整，将土体的含水率控制在10%~20%。滑床和滑体经分层埋填、夯实之后，经测试，得到滑坡模型计算参数。

图1  滑坡网格模型

Fig.1  Grid model of the landslide

表1  滑坡模型计算参数

Table 1  Calculation parameters of the landslide model

土体	体积模量/MPa	剪切模量/MPa	内聚力 /kPa	内摩擦角/(°)	抗拉强度/Pa	密度/ (kg·m-³）
滑床	15600	10800	2	60×106	48	2800
滑体	0.119	0.109	1	6×103	24	1800

抗滑桩短桩由桩（Pile）单元模拟^［18］，模拟参数见表2。为探究不同桩长l条件下的抗滑短桩承载机理，共设计6种工况，桩长分别为无桩0、50、60、70、80和90 cm，其中90 cm为长桩，可用于对比抗滑短桩与长桩的加固的区别。对应自由段桩长与滑体厚度比值为0、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0。考虑到抗滑短桩在滑体中的最短长度不宜小于滑体厚度的1/4，岩层嵌固段的深度不宜小于抗滑短桩总长的1/4^［1］，锚固段长度为0.3 l，抗滑桩直径D为30 mm，为了消除土拱效应，仅考虑单桩对边坡加固的影响，通常产生土拱效应的间距为（1~6）D，在本文中设定抗滑桩桩间距为30 cm>6D=18 cm。

表2  桩单元计算参数

Table 2  Calculation parameters of the pile

结构	弹性模量/GPa	泊松比	周长/ m	截面积/ ㎡	极惯性矩/ m4
桩	3.9	0.3	0.0942	0.000765	4.96×10-9

根据前期的模型试验，当滑坡上方堆加的荷载达到94.95 kN时滑坡开始出现变形破坏^［6，24］，因此将滑坡上覆荷载设定为94.95 kN，滑坡顶部的面积为2.52 m²，换算成均布荷载为37.68 kPa，通过FLAC^3D中面荷载对滑坡模型施加该荷载。

2 数值模拟结果分析

2.1 模型整体位移分析

图2是抗滑短桩在相同滑坡荷载下，不同桩长条件下的滑坡位移云图和位移矢量图。由图2可知：

图2  不同桩长条件下滑坡模型位移云图和矢量图

Fig.2  Displacement and vector plot of the landslide with different length fo pile

（1）在无桩条件下，滑体沿滑面失稳破坏，楔形体前缘中部滑体剪出破坏（图2a）。

（2）当桩长为50 cm（图2b）和60 cm（图2c）时，滑体前缘上部形成贯通的滑面，对比无抗滑短桩的滑坡位移云图可知，加固后的滑坡滑体仅顶部产生局部破坏。

（3）当桩长为70 cm（图2d）、80 cm（图2e）和90 cm（图2f）时，滑坡未发生失稳现象，滑坡土体仅在抗滑短桩后发生一定的变形，表明桩-土协同作用显著。

（4）如图3所示，数值模拟记录了滑体最大位移随桩长的变化数据，图中显示，随着桩长的增加，模型整体位移呈减小趋势，但减小的幅度逐渐减小，表明增加抗滑短桩长度可增加滑坡稳定性，但对滑坡稳定性控制效果逐渐减弱。

图3  滑坡模型最大位移变化

Fig.3  The maximum displacement of landslide model

2.2 土体应力分析

滑坡土体的应力尤其桩周围土体的应力特征可用于分析桩-土协同作用情况，对于揭示抗滑短桩承载机理具有很大帮助。图4为滑坡模型在不同桩长条件下的应力分布云图。

图4  滑坡土体应力分布云图

Fig.4  Soil stress distribution of the landslide

如图4所示，图中显示了滑坡模型分别在无桩，桩长为50、60、70、80和90 cm时的土体应力分布情况，由图中所示的应力分布情况可以得出以下结果：

（1）如图4（a）所示，无桩时模型的最大土应力集中于滑体前缘楔形体底部，这表明在无桩时滑体的抗滑阻力主要来自滑体前缘的阻滑段，结合模型位移图可知，依靠滑体前缘的阻滑作用不能保持滑体的稳定，在楔形体上部滑体会发生剪出破坏。

（2）设置抗滑短桩后，如图4（b）~（f）所示，随着桩长的增加，滑体内阻滑部分明显增加，桩-土协同作用的效果较好，桩与桩周土体整体性更好，能够提供更大的阻滑力。

（3）随着桩长的增加，桩后土压力变化显著，土压力的分布更加均匀，当桩长为50、60和70 cm时，桩体受力主要集中在桩顶附近，桩长为80和90 cm时，桩体受力沿自由段均匀分布，桩体受力更加合理；其中桩长为80 cm时，桩体受力最小。

2.3 桩体位移分析

图5是不同长度的抗滑短桩在相同的试验荷载作用下桩体位移矢量图，图5可直观地展示桩体各部分的位移大小，位移矢量的箭头连线可以反映桩体的变形情况。

图5  桩体位移矢量图

Fig.5  Displacement vector plot of the pile

（1）从图5可以看出，桩体的位移沿深度近似为倒梯形分布，桩体的中上部位移基本为矩形分布，靠近滑面位置为倒三角形分布，滑面以下位移基本为零。

（2）从图5的位移最大值可以发现，随着桩长的增加，桩身的最大位移不断增加，且桩身位移有向下移动的趋势。

2.4 桩体弯矩分析

图6是抗滑短桩在相同滑坡参数下不同桩长时的桩体弯矩变化云图，图中灰色部分表示桩体受拉，为正弯矩，黑色部分表示受压，为负弯矩。由弯矩云图可知：

图6  桩身弯矩云图

Fig.6  Bending moment contour of the pile

（1）桩身弯矩的分布受桩长影响明显，随着桩长的增加，桩身自由段正弯矩逐渐下移，而嵌固段负弯矩逐渐上移，并向滑面靠近.

（2）当桩长为50和60 cm时，桩顶附近并没有出现负弯矩，自由段桩身表现为受到滑坡推力作用，桩体表现为受正弯矩；当桩长分别为70、80和90 cm时，桩顶负弯矩范围逐渐增大；桩长为50、60 cm时，桩身弯矩分布主要集中在抗滑段，桩长为70、80、90 cm时，桩身弯矩在桩体分布较为均匀，桩体处于合理受弯状态，可避免因弯矩过于集中而发生破坏。

（3）桩体最大弯矩的变化如图7所示。图7显示，桩长的增加导致桩身最大弯矩呈逐渐增大，桩长由50 cm增加至70 cm时，最大弯矩的幅值最大，但随着桩长的持续增加，弯矩的增加幅度逐渐降低。

图7  桩体最大弯矩随桩长变化曲线

Fig.7  Curve of the maximum bending moment of the pile with the length of pile

3 结 论

（1）抗滑短桩可显著提高滑坡的整体稳定性，且随着桩长的增加，滑体失稳范围逐渐减小，当桩长>60 cm时，滑体处于稳定状态，表明采用抗滑短桩治理滑坡是可行的。

（2）随着桩长的增加，桩后土压力分布趋于均匀，桩体受力情况也更为理想，其中以桩长为80 cm时，桩体受力最为理想。随着桩长的增加，桩土共同作用效果更为明显，抗滑短桩能调动更大范围的土体共同形成阻滑段，提高滑体稳定性。

（3）桩体位移随桩长变化较为显著，桩长为50和60 cm时，桩体自由段和嵌固端分别有不同方向的位移产生，即桩体有发生转动的趋势，而当桩长>60 cm时，桩体自身稳定性较好，能够充分发挥抗滑性能；

当桩长为50和60 cm时，桩顶附近并没有出现负弯矩，自由段桩身表现为受到滑坡推力作用，桩体表现为受正弯矩，当桩长为70、80、90 cm时，桩体弯矩在桩身范围内分布较为均匀，不存在弯矩过度集中的情况，桩体受力状态明显好于桩长为50和60 cm时。

（4）桩长的增加可提高滑体的稳定性，有利于形成良好的桩-土协同作用效果，发挥桩周土体的抗滑作用，但随着桩长的增加，桩体最大位移和最大弯矩均有不同程度的增大，因此在兼顾抗滑承载力和桩体合理受力的前提下，桩体自由段和滑体厚度比值为0.7~0.9时，抗滑短桩加固滑坡的效果最为理想。