复合梯键结构加固位置对边坡稳定性的影响分析

孟丛丛，王富强

(江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013)

1 概 述

在目前的边坡治理工程中，抗滑桩多以直桩结构为主，受结构尺寸、应力变形等因素限制，单体抗滑桩治理效果一般，对桩后岩土体的充分利用及空间结构的优化认识不深。当滑坡推力增大时，通常采用增大截面尺寸及配筋量、在桩身设置预应力锚索等措施，提高抗滑桩的支挡性能。研究了一种由多个梯键单元组成的复合梯键结构，如图1所示。结构中的梯键单元形成桩群，空间利用更加充分，梯键单元之间的协同工作能力提升了抗滑能力，充分发挥整体加固和支挡作用。适用于大体积滑坡以及当滑坡体及周边区域分布较多的较多的建筑物、构筑物且基本不具备地表工程治理可能性的工程。

图1 复合梯键结构示意图

利用FLAC3d计算分析软件建立模型，分析了复合梯键结构位于滑坡体不同位置时滑体模型的剪切应变和滑坡安全稳定系数以及结构内力，探讨了在抗滑桩加固边坡体系中，复合梯键结构不同设置位置对滑坡安全稳定系数、临界滑移面的影响。

2 滑坡计算模型

研究的滑坡模型为三层，自定义强度折减层，将模型的两侧边界和底边界视为固定边界约束，作为数值计算时的收敛边界条件，将两侧及底边界位置设置于较远处，以减小边界效应对模型计算时的影响。分析模型所选用的材料以及滑坡体各部位物质成分视为均质，对地下水位的变化以及地表荷载的影响等其他因素不做考虑。

分析模型长180 m，高度为118 m，由三层组成，从上至下，依次为滑坡体、滑坡带和滑坡床。滑体纵向长度为145 m，滑坡体厚度12～30 m，最大厚度约为30 m。模型网格划分时，共建立单元数为13 462，如图2所示。

图2 滑坡体模型网格划分图

在进行边界条件处理时，为了便于结果的计算与分析，模型两侧的边界以及底边界定为远离滑体。在滑坡体模型左侧，边界设置定义时，所有网格节点始终在X轴方向的速度不变，其具体范围是X=-0.1和X=0.1这两个平面内所有网格节点。对于模型右侧，边界设置定义时，所有网格节点始终在X轴方向的速度不变，其具体范围是X=179.9和X=180.1这两个平面内所有网格节点。模型底面边界限制时，边界定义在范围Z=-0.1与Z=0.1这两个平面内，所有网格节点保持在Z轴方向的速度不变。模型上表面设置为自由边界，是位移变形分析的核心。自重应力场为模型的初始应力场。

3 模型的初始平衡状态

模型计算历时44 704步达到平衡状态，对竖向应力、剪切应变和滑坡安全稳定系数等指标进行如下分析。

3.1 竖向应力

滑坡岩土体应力云图在竖直方向均匀分布，表面的竖向应力基本为零并且从上至下为递增趋势，计算结果与实际应力状态的基本规律相同，表明数值模拟分析较为合理。竖向应力分布如图3所示。

图3 滑坡岩土体的竖向应力分布图

3.2 剪切应变

滑坡体在滑带区域出现最大位移变化，滑坡体前后出现贯通区域，该贯通区域为滑坡的潜在破坏面。在滑带土的上下部区域都出现较小的剪切应变增量，剪切变形量随距离滑带距离增大而减小，最远处基本无剪切变形，具体见图4。通过分析计算，在重力作用下，滑坡沿着滑带形成贯通的剪切变形和实际应变情况相符，表明模型的建立与计算合理。

图4 滑坡岩土体的剪切应变增量分布图

3.3 滑坡安全稳定系数

对滑坡模型采用强度折减计算法进行安全稳定系数计算，计算结果如图5所示。滑坡安全稳定系数为1.02，表明所分析的滑坡模型基本处于临界稳定状态，从而更有利于分析在添加复合梯键结构后的模拟效果。

图5 滑坡岩土体安全系数分布图

4 复合梯键结构在滑坡岩土体中下部

4.1 结构抗滑模型建立

在滑坡岩土体的中下部区域设置复合梯键结构，复合梯键结构设置于滑坡后。设置三级台阶进行数值模拟，台阶与台阶之间由马蹄形横臂和矩形竖腿相连接，形成整体抵抗滑坡推力，减小滑体的位移，提高抗滑效果。对模拟的复合梯键结构进行统一编号，如图6所示。复合梯键结构模型参数如表1所示，定义其物理力学特征。

图6 复合梯键结构桩段编号图

表1 复合梯键结构各桩段模型参数

4.2 结构抗滑模拟结果

(1)剪切应变

在滑坡岩土体中下部设置复合梯键结构后，通过模拟分析，剪切应变增量分布如图7所示。分析得出如下结论：①滑床区域剪切变形增量很小，接近于零，这与初始平衡状态基本相同。滑床为基岩，处于稳定状态并且其稳定性不会受到抗滑桩的影响，这与实际情况相符。②在滑带部位，设置复合梯键结构后，其剪切变形增量接近于零。表明桩土模型发生相互锁固作用，复合梯键结构对抵挡滑坡滑动有显著效果。③滑带的上部位置未设置复合梯键结构，发生了一定剪切变形增量，但其增量与未设置复合梯键结构相比减小了10%左右，充分表明复合梯键结构在抵挡滑坡滑动时起到的显著作用。④在整个滑带区域，未见剪切应变贯通现象。

图7 复合梯键结构抗滑模型剪切应变分布图

(2)滑坡安全稳定系数

采用强度折减理论对复合梯键结构进行安全稳定性分析，滑坡安全稳定系数为1.34，大于1，说明整个滑坡岩土体处于稳定状态，未产生明显的滑坡。通过设置复合梯键结构，滑坡安全稳定系数显著提升，体现了复合梯键结构起到的显著效果。

5 复合梯键结构位于滑坡岩土体中上部

5.1 结构抗滑模型建立

将复合梯键结构设置于滑坡岩土体中上部区域。物理力学参数、结构的连接方式和几何尺寸与设置于中下部时完全一致，由此分析复合梯键结构设置位置这个单一因素产生的影响。

5.2 结构抗滑模拟结果

(1)剪切应变

在滑坡岩土体中上部设置复合梯键结构后，通过模拟计算分析，剪切应变增量分布如图8所示。分析得出如下结论：①滑坡的中上部其剪切变形量有一定程度的减小，较未设置支挡结构之前，变形量减小5%左右，设置复合梯键结构可有效降低滑坡体的整体剪切变形程度，稳定性提高，该支挡结构起到了显著的阻滑效果。②滑坡的中部和滑坡的前部，其剪切变形较未设置支挡结构前虽有一定的减小，但是减小的程度较低。同时，在滑坡的中下部，仍然出现明显的剪切破坏面，说明复合梯键结构置于滑坡的上部时，对滑坡中下部加固效果有待提高。

图8 复合梯键结构抗滑模型剪切应变分布图

(2)滑坡安全稳定系数

采用强度折减理论对复合梯键结构抗滑模型进行安全稳定性分析，滑坡安全稳定系数为1.28，安全稳定系数大于1，表明滑坡岩土体处于稳定状态，未产生滑坡趋势，与不设置复合梯键结构相比，滑坡安全稳定系数明显增加。

6 复合梯键结构位于滑坡岩土体中部区域

6.1 结构抗滑模型建立

将复合梯键结构设置于滑坡岩土体中部，仅改变复合梯键结构设置位置，物理力学参数、结构连接方式和几何尺寸与设置于在滑坡中下部和中上部模拟时相同。

6.2 结构抗滑模拟结果

(1)剪切应变

在滑坡岩土体中部设置复合梯键结构，剪切应变增量分布如图9所示。得出如下结论：①滑床区域未见明显的剪切变形增量，这与初始平衡状态基本相同。在滑带部位，设置复合梯键结构后，滑带的中部、前部均未见明显剪切变形，稳定性良好，滑带上部虽然有一定的剪切变形，但是变形量很小，这主要是与较陡的地势有关，土体在局部范围内发生变形。②滑坡最大剪切变形量较未设置复合梯键结构有了十分显著的降低，复合梯键结构在该部位能够很好的发挥其加固滑坡的作用，使滑坡达到整体稳定。

图9 复合梯键结构抗滑模型剪切应变分布图

(2)滑坡安全稳定系数

采用强度折减理论对复合梯键结构抗滑模型进行安全稳定性分析，计算结果显示，滑坡安全稳定系数为1.52，大于1，说明滑坡岩土体处于稳定状态，没有产生滑动趋势，相对于未设置梯键结构的天然状态，滑坡安全稳定系数明显增大。

7 不同加固位置计算结果对比分析

7.1 剪切应变结果对比分析

将各种情况的最大剪切变形量汇总，如表2所示。对比分析得出以下结论：(1)设置复合梯键结构的滑坡岩土体最大剪切变形量较未设置复合梯键结构的减小90%以上，即剪切变形量得到显著改善。(2)当复合梯键结构设置在滑坡体中部时，最大剪切变形量最小，支挡结构设置在滑坡中下部区域时，剪切变形量次之，支挡结构设置在滑坡中上部区域时，剪切变形量最大。因此将复合梯键结构置于滑坡中部区域时，抗滑效果最为显著，置于滑坡中下部区域次之，置于滑坡中上部时，抗滑效果较差。

7.2 滑坡安全稳定系数对比分析

将各种情况的安全稳定系数结果进行汇总，如表3所示。对比分析得出以下结论：(1)采用复合梯键结构对滑坡进行支挡时时，滑坡安全稳定系数都会有不同程度的提高，表明该支挡结构无论置于滑坡的任何位置，都可以增加滑坡的安全稳定性。(2)在其他条件不变的情况下，将复合梯键结构置于滑坡的中部时，抗滑效果最佳，位于滑坡中下部区域时效果次之，将复合梯键结构置于滑坡的上部时，抗滑效果不明显。终上所述，滑坡支挡结构置于滑坡的不同部位时，对滑坡的加固效果会有显著的差异，并且支挡结构置于滑坡的中部，抗滑加固效果最佳。

表2 不同加固位置的最大剪切变形量

表3 不同加固位置的滑坡安全稳定系数

8 结 语

(1)采用复合梯键结构对滑坡进行加固时，当复合梯键结构在滑坡中部时，滑坡最大剪切变形量最小，滑坡的安全稳定系数最大，与未设置加固结构的滑坡体相比，稳定性提高约50%，较将复合梯键结构设置于滑坡岩土体中下部或中上部时，稳定性提高10%～20%。

(2)采用复合梯键结构进行滑坡加固时，在其他条件不变的情况下，应将该结构置于滑坡岩土体的中部区域，以更好地发挥阻滑作用。