李新哲 李 濤 潘 登 劉慧敏 李建林 鄧華鋒

(三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 宜昌 443002， 中國(guó))

0 引 言

滑坡是一種多發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，也是世界上滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一(周家文等， 2019； 胡瑞林等， 2020； 劉傳正等， 2020)?？够瑯恫贾渺`活、施工方便、抗滑效果好，是各類(lèi)滑坡治理中常用的加固措施。在采用抗滑樁加固中，合適的加固位置不僅可充分發(fā)揮抗滑樁的效能，還能減少工程量，有效降低工程成本，因此，其布置位置的選擇是方案設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題(楊光華等， 2011)。為此，較多工程技術(shù)人員和研究人員采用理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種方法對(duì)抗滑樁的優(yōu)化加固位置進(jìn)行了研究，并取得了豐富的研究成果。

一方面，較多學(xué)者針對(duì)不同類(lèi)型的滑坡，在不同的位置布置抗滑樁，通過(guò)加固效果的對(duì)比分析去研究?jī)?yōu)化的加固位置，典型的如：年廷凱等(2012)研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁的最優(yōu)加固位置位于邊坡中下部； Ito et al. (1981)、Hassiotis et al. (1997)研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁加固于中上部時(shí)更有利于邊坡的整體穩(wěn)定； 王聰聰?shù)?2015)探討了樁長(zhǎng)、設(shè)樁位置、樁體彈性模量等因素對(duì)邊坡安全系數(shù)等均有影響，研究表明抗滑樁的最優(yōu)加固位置受樁長(zhǎng)影響較大，最優(yōu)加固位置位于邊坡的中部或中上部； 李家平等(2005)通過(guò)極限平衡法對(duì)抗滑樁最優(yōu)的加固位置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)滑樁加固于邊坡滑弧的最低點(diǎn)時(shí)加固效果最優(yōu)； 戴自航等(2000)通過(guò)傳遞系數(shù)法對(duì)抗滑樁最優(yōu)加固位置進(jìn)行分析，結(jié)果表明抗滑樁的最優(yōu)加固位置位于坡腳，更利于坡體穩(wěn)定； 譚捍華等(2011)采用能量方法研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁設(shè)置于邊坡中下部，加固效果最好； Gong et al.(2018)研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁的最佳加固位置靠近邊坡坡腳； Fang et al. (2018)采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)多滑帶邊坡進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明抗滑樁應(yīng)布置在各滑帶的中下部； Pan et al.(2017)對(duì)土坡的最優(yōu)加固位置進(jìn)行了研究，研究表明當(dāng)邊坡坡腳距離抗滑樁的距離與邊坡的水平長(zhǎng)度之比為0.6時(shí)，此時(shí)的加固效果最優(yōu)。

滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的現(xiàn)象就是坡表變形，由于變形數(shù)據(jù)容易監(jiān)測(cè)，因此部分學(xué)者將邊坡變形與邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)(董文文等， 2016； 趙建軍等， 2019)，以便根據(jù)邊坡的變形對(duì)邊坡的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)警； 結(jié)合滑坡的變形特征，楊光華等(2012)提出了基于邊坡變形場(chǎng)確定抗滑樁最優(yōu)加固位置的方法，發(fā)現(xiàn)抗滑樁設(shè)置在邊坡位移較大的地方加固效果好。另外，在采用極限平衡方法進(jìn)行工程邊坡穩(wěn)定分析和支護(hù)設(shè)計(jì)分析中，通常根據(jù)滑坡體的剩余下滑力分布特征來(lái)確定抗滑樁優(yōu)化加固位置。

這些研究成果為抗滑樁加固設(shè)計(jì)提供了較好的參考，但在實(shí)際滑坡工程加固設(shè)計(jì)中依然存在較大困難，例如，根據(jù)滑坡的破壞類(lèi)型、變形分布特征等確定抗滑樁優(yōu)化加固位置(上部、中部、下部等)還沒(méi)有明確的判斷依據(jù)。例如，在根據(jù)坡體變形確定抗滑樁加固位置時(shí)，僅僅根據(jù)坡表位移無(wú)法對(duì)滑坡內(nèi)部最易破壞的位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，而且所確定的優(yōu)化加固區(qū)域也只是一個(gè)范圍相對(duì)較大的區(qū)域，需要進(jìn)行大量的枚舉試算方可進(jìn)一步確定相對(duì)準(zhǔn)確的位置，計(jì)算過(guò)程比較繁雜； 采用剛體極限法計(jì)算得到剩余下滑力雖然可以定量地確定優(yōu)化的抗滑樁加固位置，但由于計(jì)算方法本身沒(méi)有考慮滑坡體本身變形等因素的影響，所確定的加固位置往往與實(shí)際存在一定的差距。

綜合目前研究成果可以發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型的滑坡，具有不同的變形破壞特征，發(fā)生變形破壞的關(guān)鍵位置也不一樣。采用抗滑樁進(jìn)行加固時(shí)，其最優(yōu)加固區(qū)域也不一樣，典型的如：對(duì)于誘發(fā)滑動(dòng)區(qū)域在后緣的滑坡，抗滑樁的最優(yōu)加固位置一般在滑坡中上部，而誘發(fā)滑動(dòng)區(qū)域在前緣的滑坡，最優(yōu)加固位置一般在滑坡的中下部(楊光華等， 2012)。在滑坡出現(xiàn)變形到最終失穩(wěn)破壞的整個(gè)過(guò)程中，滑帶所處的應(yīng)力狀態(tài)是非常關(guān)鍵的，伴隨著滑動(dòng)面的孕育與逐步貫通(許強(qiáng)， 2020)，而且，滑帶各位置也不可能在同一時(shí)間產(chǎn)生破壞，是一個(gè)典型的漸進(jìn)破壞過(guò)程，這里涉及一個(gè)最易破壞區(qū)域，也就是影響或者控制整個(gè)滑坡穩(wěn)定的關(guān)鍵區(qū)域，如果能準(zhǔn)確確定并在該區(qū)域進(jìn)行加固，將達(dá)到良好的加固效果。為此，本文擬在以往研究基礎(chǔ)上，綜合考慮滑帶的應(yīng)力場(chǎng)分布特征及滑帶土本身的強(qiáng)度特性，引入應(yīng)力水平的分析思路，結(jié)合滑帶各位置的應(yīng)力水平分布規(guī)律確定影響滑坡穩(wěn)定的最危險(xiǎn)區(qū)域，也即優(yōu)化的抗滑樁加固位置。

1 基于滑帶應(yīng)力水平的抗滑樁位置優(yōu)化分析思路

應(yīng)力水平是Duncan-Chang在研究土體的應(yīng)力-應(yīng)變非線性時(shí)提出的(Duncan et al.，1970)，指的是基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則下某點(diǎn)的主應(yīng)力差與該點(diǎn)極限強(qiáng)度的比值(Duncan et al.，1970)，也即：

(1)

式中： (σ1-σ3)f為基于Mohr-Coulmb強(qiáng)度準(zhǔn)則的極限強(qiáng)度，其表達(dá)式：

(2)

式中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ1、σ3為某點(diǎn)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力。

聯(lián)合式(1)和式(2)可知，應(yīng)力水平與該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和巖土體的強(qiáng)度參數(shù)直接相關(guān)，因此，只要分析得到滑坡的應(yīng)力場(chǎng)分布，便可求得各位置(包括滑帶)的應(yīng)力水平分布情況，由此可以判斷哪些區(qū)域滑帶土處于屈服狀態(tài)，進(jìn)而可以判斷滑坡的失穩(wěn)破壞區(qū)域及破壞類(lèi)型，并確定最優(yōu)加固位置，進(jìn)而取得較好的加固效果。

前述分析表明，不同破壞類(lèi)型的滑坡，其最優(yōu)抗滑樁加固位置是不一樣的。為了將抗滑樁最優(yōu)加固位置與滑坡應(yīng)力水平分布定量聯(lián)系起來(lái)，本文以典型滑坡為例，重點(diǎn)分析滑坡(特別是滑帶)應(yīng)力水平和變形的分布特征，在滑帶不同應(yīng)力水平位置布置抗滑樁，通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法求解安全系數(shù)(連鎮(zhèn)營(yíng)等， 2001； 欒茂田等， 2003； 張魯渝等， 2003； 韋立德等， 2005)，以加固后滑坡的安全系數(shù)變化情況來(lái)衡量加固效果，進(jìn)而分析確定最優(yōu)的抗滑樁加固位置。

2 滑坡抗滑樁最優(yōu)加固位置分析驗(yàn)證

為了進(jìn)一步說(shuō)明上述方法，這里以孔雀河中游河段的HP滑坡體為分析對(duì)象，對(duì)其計(jì)算分析過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。該滑坡的典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示?；虑熬壐叱虨?946～3965m，后緣高程約為4050m，縱向長(zhǎng)度約80m，橫向最寬處達(dá)100m，自然坡度32°～41°，為順向坡?；麦w主要由堆積為主的塊石、碎石、礫石和砂土組成，塊石、碎石、礫石含量約78.30%，砂土含量約21.70%，鉆孔資料顯示土層結(jié)構(gòu)較密實(shí)，材料相對(duì)均勻。滑坡總方量約30×104m3，堆積體下伏地層為奧陶系溝隴日組泥質(zhì)板巖(O2g)，弱風(fēng)化，巖層走向與滑坡體滑動(dòng)方向相當(dāng)，板巖上部(20～30m)巖體較破碎，其下較完整，基巖表面存在不規(guī)則擦痕，分析破碎巖體與上部滑坡體活動(dòng)破壞有關(guān)，堆積體下伏基巖面為滑坡體的底滑面，埋深18～28m，無(wú)次級(jí)滑動(dòng)面?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該滑坡在天然狀態(tài)下整體處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 典型地質(zhì)剖面

2.1 計(jì)算分析模型及參數(shù)

采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，考慮到數(shù)值分析模型邊界范圍對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響(李寧等， 2018)，將模型的邊界范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，如圖2所示，模型分成滑帶、滑體和滑床3層，對(duì)模型側(cè)面施加法向約束，底面施加固定約束。模型網(wǎng)格共有78729個(gè)單元，有84736個(gè)節(jié)點(diǎn)，參考以往的研究經(jīng)驗(yàn)，抗滑樁采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。計(jì)算過(guò)程中，滑坡巖土體采用莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。據(jù)地質(zhì)勘察資料，天然狀態(tài)下滑坡巖土體和抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)的取值如表1所示。

圖2 滑坡計(jì)算模型圖

表1 巖土體及抗滑樁力學(xué)參數(shù)

2.2 滑坡應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布特征及優(yōu)化加固位置分析

計(jì)算得到加固前滑坡的應(yīng)力水平分布圖、水平方向位移圖和塑性區(qū)分布圖如圖3～圖6所示。

圖3 滑坡應(yīng)力水平分布圖

圖4 滑帶應(yīng)力水平分布圖

圖5 滑坡水平方向位移圖

圖6 滑坡塑性區(qū)分布圖

綜合圖3～圖6可以看出，滑坡中下部區(qū)域的應(yīng)力水平較高，總體在0.80以上，而且，滑帶中下部的高應(yīng)力水平分布區(qū)域逐漸向滑坡后緣拓展有貫通趨勢(shì)。比較而言，滑坡中下部的高應(yīng)力水平分布區(qū)域，與位移圖顯示的滑坡前緣變形較大的區(qū)域、塑性區(qū)分布區(qū)域均是一致的，這也進(jìn)一步明確了該滑坡的變形破壞類(lèi)型。

采用強(qiáng)度折減法求得該滑坡安全系數(shù)為1.07，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，需要進(jìn)行加固。按照以往工程經(jīng)驗(yàn)(Cai et al.，2000； Ausilio et al.，2001； 年廷凱， 2006)，對(duì)于誘發(fā)滑動(dòng)區(qū)域在前緣的滑坡，抗滑樁應(yīng)該布置在坡體的中下部，但為了達(dá)到最佳的加固效果，需要進(jìn)一步定量地確定其具體的布置位置。一種思路，在坡體變形最大的區(qū)域進(jìn)行加固，從圖4來(lái)看，滑坡中下部的變形較大，最大變形發(fā)生在x=402.00～408.00m的坡腳前緣表面； 另一種思路，也即本文的思路，在滑帶應(yīng)力水平高的區(qū)域布置抗滑樁進(jìn)行加固，從圖4可以看出，滑帶中下部的應(yīng)力水平較高，其中x=388.27～393.27m區(qū)域的應(yīng)力水平在0.95以上。綜合考慮這兩種思路，特在滑坡體x=315.77～403.27m區(qū)域設(shè)置抗滑樁進(jìn)行加固，從左至右，共選取了12個(gè)布置位置(亦為坡面位移、滑帶應(yīng)力水平觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x方向坐標(biāo))進(jìn)行加固效果對(duì)比分析，具體如表2和圖7所示。為了便于比較，不同位置抗滑樁嵌固段長(zhǎng)度按樁長(zhǎng)的1/3考慮(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組， 2006)，抗滑樁的力學(xué)參數(shù)按照表1取值。

表2 抗滑樁布置位置

圖7 抗滑樁樁位布置圖

2.3 不同位置抗滑樁加固效果分析

對(duì)表2所述的12個(gè)抗滑樁布置位置，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到加固后滑坡的安全系數(shù)。為了更好地顯示加固前坡表位移、滑帶應(yīng)力水平與最優(yōu)加固位置的相互關(guān)系，特將加固前坡面觀測(cè)點(diǎn)水平位移與不同樁位加固后滑坡的安全系數(shù)繪制如圖8所示，加固前滑帶觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平與不同樁位加固后滑坡的安全系數(shù)繪制如圖9所示，同時(shí)，最優(yōu)加固樁位J處(x=393.27m，應(yīng)力水平最高的位置)加固后滑坡的應(yīng)力水平分布、塑性區(qū)分布分別如圖10～圖11所示。

圖8 加固前坡面觀測(cè)點(diǎn)水平位移與加固后滑坡安全系數(shù)

圖9 加固前滑帶觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平與加固后滑坡安全系數(shù)

圖10 抗滑樁加固后的滑坡應(yīng)力水平分布(x=393.27m)

圖11 抗滑樁加固后滑坡的塑性區(qū)分布圖(x=393.27m)

綜合圖8～圖11可以看出：

(1)加固后滑坡的安全系數(shù)與抗滑樁的布置位置關(guān)系密切，雖然抗滑樁均布置在滑坡體的中下部，但不同位置的加固效果差異明顯。其中：在x=310.00～360.00m區(qū)域，加固前滑帶的應(yīng)力水平較低，抗滑樁加固后滑坡的安全系數(shù)提高不明顯； 在x=360.00～388.27m區(qū)域，加固前滑帶的應(yīng)力水平快速增大，抗滑樁加固后滑坡的安全系數(shù)提高比較明顯，加固效果較好；x=388.27～393.27m區(qū)域，加固前為滑帶的高應(yīng)力水平區(qū)域，抗滑樁加固后滑坡的安全系數(shù)明顯提高，達(dá)到1.27以上，加固效果最好； 在x=393.27～403.27m區(qū)域，為加固前坡面變形最大的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平也較高，但加固效果不是最好的，而且樁后土體存在越頂滑出的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，雖然在坡體表面位移大的地方進(jìn)行加固，也可以取得較好的加固效果，但是圖8顯示的加固前位移最大區(qū)域和加固效果最好的位置并不完全對(duì)應(yīng)，因此，基于滑坡位移場(chǎng)的分布還不能準(zhǔn)確地確定抗滑樁最優(yōu)加固位置。值得注意的是，不同位置加固后滑坡的安全系數(shù)與加固前應(yīng)力水平分布曲線呈明顯一致的變化規(guī)律，在高應(yīng)力水平區(qū)域進(jìn)行抗滑樁加固后，可以有效降低滑帶區(qū)域的應(yīng)力水平，塑性區(qū)明顯減小且不再貫通，保證了滑坡中下部的穩(wěn)定性，從而提高了滑坡的整體穩(wěn)定性，這也很好地說(shuō)明了根據(jù)滑坡滑帶的高應(yīng)力水平區(qū)域確定其最優(yōu)加固位置是合理的。

(3)以往的研究中通常根據(jù)滑帶塑性區(qū)的貫通程度去判定滑坡的穩(wěn)定程度，也提出了在塑性區(qū)集中分布區(qū)域進(jìn)行加固的思路，但是從圖6顯示的加固前塑性區(qū)分布范圍來(lái)看，滑帶中下部塑性區(qū)分布范圍較大且有貫通趨勢(shì)，據(jù)此也很難準(zhǔn)確地確定優(yōu)化加固位置。

(4)這里也采用剛體極限平衡法計(jì)算了該滑坡的剩余下滑力分布規(guī)律，具體如圖12所示，最大剩余下滑力位置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)為x=355.77m，在該位置布置抗滑樁加固后，計(jì)算得到滑坡安全系數(shù)為1.23，與前述方法確定的位置和達(dá)到的加固效果差別明顯，分析其原因是剛體極限平衡法無(wú)法考慮滑坡體自身的變形及其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

圖12 滑坡剩余下滑力曲線

3 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)滑坡滑帶的應(yīng)力水平分布規(guī)律及滑坡的變形破壞特征，提出了基于滑帶應(yīng)力水平確定抗滑樁最優(yōu)加固位置的思路， 12個(gè)位置抗滑樁的加固效果對(duì)比分析表明，抗滑樁布置于滑帶應(yīng)力水平高的區(qū)域時(shí)，可以有效降低滑帶區(qū)域的應(yīng)力水平，改善滑帶的塑性區(qū)分布，提高滑坡的整體穩(wěn)定性，說(shuō)明本文的方法是合理有效的。

(2)通過(guò)典型滑坡加固前后的應(yīng)力水平、位移場(chǎng)和塑性區(qū)的分布圖對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：滑帶的高應(yīng)力水平區(qū)域與滑坡顯著變形區(qū)域、塑性區(qū)分布具有較好的一致性，但是，與基于變形場(chǎng)分布和塑性區(qū)分布確定抗滑樁優(yōu)化加固位置的方法相比，本文基于滑帶的應(yīng)力水平分布特征的分析方法，可以更準(zhǔn)確、定量地確定滑坡的優(yōu)化加固位置，從而可以更好地發(fā)揮抗滑樁加固效果。

(3)論文以單根抗滑樁為例進(jìn)行了優(yōu)化位置計(jì)算分析并得到了較好效果，在滑坡抗滑樁空間縱橫布置位置、間距優(yōu)化分析中如何應(yīng)用，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步完善。