G214线囊谦至多普玛段滑坡治理措施研究*

高文军， 屈耀辉， 杨存进， 吴红刚

(中铁西北科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000)

囊谦至多普玛段是G214线的重要组成部分，其中特殊困难路段约6.5 m，路面宽度为7.5 m。该路段位于青海东部偏南地区玉树藏族自治州囊谦县境内，该地区自从新生代(KZ)以来地壳新构造运动频繁发生，地质构造及地形地貌复杂多变，地层岩性较差，断裂破碎带与褶皱不断增长，受人为因素及降雨等的影响，经常出现滑坡、路基下陷及边坡塌滑情况。常见滑坡治理方式包括坡面防滑与排水等。坡面防护是向坡面上喷射砼，从根本上防止滑坡的发生，但其成本较高，只适合小面积滑坡，不适用于滑坡多发的大面积区域；通过排水解决滑坡，需大面积布置排水孔和砼片石，工序过于麻烦。使用抗滑桩加固滑坡岩土，将抗滑桩插入滑动面下的稳定层中，利用稳定地层岩土锚固作用抵抗滑坡推力，从而稳定坡体结构。该文研究抗滑桩治理囊谦至多普玛段公路滑坡的情况，并研究湿化作用对抗滑桩的影响。

1 抗滑桩治理滑坡分析

1.1 结构有限元分析

该路段滑坡抗滑桩横截面见图1。

图1 抗滑桩横截面

使用有限元法计算抗滑桩，能考虑影响桩基工作性能的所有因素，包括动力效应、固结效应及非线性性质等，能充分考虑三维效应计算桩周及桩中的变形和应力。数值模拟抗滑桩时会遇到很多影响因素，包括抗滑桩和土体之间的相互作用、砼中钢筋用量、土体物理力学指标和变形指标。模拟抗滑桩和周围土体相互作用时使用非线性弹性单元。为加强有限元模型的非线性求解收敛性，采取如下措施： 1) 使用增量求解技术，结合线性搜索技术，实现变形历程跟踪。2) 合理划分荷载子步数，降低非线性程度。

计算非线性时最常用的收敛方式为力收敛准则和位移收敛准则。采用位移收敛准则时总位移精确值t+ΔtwT与第i次迭代生成的位移增量Δw(i)的比值需保持在一定精度内，公式如下：

(1)

式中：lw、‖‖2分别为给定的位移精度与矢量的二范数。

一般情况下按下式判断：

(2)

与位移收敛准则相对的力收敛准则为：

(3)

式中：e为力的增量。

抗滑桩结构计算时，力收敛准则精度控制在2%～5%，位移收敛初始容差低于1%。为实现收敛，降低收敛容差，反复计算后，获得逐渐平稳的相邻误差求解结果，使用二范数收敛准则调整收敛精度。解决非线性求解收敛性问题后，构建抗滑桩有限元模型。

1.2 湿化有限元分析

(1) 划分网格与模型计算。边坡发生干湿循环，导致滑坡。该项目所在地区年降水量较高，降水时间较长，需进行湿化有限元分析。边坡计算网格见图2，抗滑桩长度与桩径分别为10、1 m。抗滑桩有限元计算分为两级，一级是在岩层和土层中的原始应力状态；另一级是由于降雨导致的入渗湿化。该项目因降雨入渗导致土体膨胀，水分不能正常向下入渗，通常情况下入渗深度为2～4 m，数值模拟时设定湿化深度为3 m。采用等应力法分析湿化作用对抗滑桩受力和变形特性、边坡安全的影响。

图2 边坡湿化模型

(2) 本构模型与计算参数。土体变形受到加荷应力路径与荷载大小的影响，应力应变关系呈现非线性。土体的变形性状采用邓肯非线性弹性模型模拟，采用邓肯E-v模型：

(4)

(5)

假设土体为一种均质各向同性材料，通过湿化变形试验获取计算参数，表1为邓肯E-v模型的计算参数，表2为抗滑桩-接触面耦合弹簧的计算参数。

表1 邓肯E-v模型的计算参数

表2 抗滑桩-接触面耦合弹簧的计算参数

模型左右两侧施加X向约束，前后两侧及底侧分别施加Y、Z向约束，模拟路堤荷载作用下边坡软弱地基面的沉降。获取天然地基初始单元，不考虑抗滑桩和路堤单元，对路堤的水平分层分布进行模拟，得到整个土体的侧移与沉降。

2 模拟结果与分析

使用Surfer软件绘制土工离心模型与FLAC3D模型，针对使用抗滑桩和未使用抗滑桩2种工况进行分析，得到边坡软弱地基区域在路堤荷载作用下位移等值线图(见图3)。从图3可看出：未使用抗滑桩时边坡坡脚出现较明显的地层隆起，而使用抗滑桩后未出现明显隆起，抗滑桩对地基的水平位移发挥了限制作用，说明抗滑桩能有效治理囊谦至多普玛段公路滑坡。

图3 位移等值线图(单位：mm)

设置2.5、4.5、6.5、8.5 m 4种抗滑桩桩距，其他参数不变，分析抗滑桩桩距敏感性。4种工况下沿抗滑桩深度方向(X方向)的水平位移与弯矩分布见图4。从图4可看出：桩距越大，抗滑桩承受的水平位移与弯矩越大，总体增长趋势较缓和，表明边坡内的侧向荷载向抗滑桩转移，需提高抗滑桩的刚度才能有效治理滑坡灾害。综合考虑成本和可行性，确定抗滑桩桩距为4.5 m。

图4 桩距对抗滑桩水平位移与弯矩的影响

湿化作用会对抗滑桩造成影响，图5、图6为湿化前后抗滑桩受力和变形的变化情况。从图5、图6可以看出：受湿化作用影响，抗滑桩的大主应力在抗滑桩深度为5 m时出现较大增幅，主要是由于边坡和抗滑桩之间协调变形，上部土体产生的下滑力由抗滑桩承担，阻止土体下滑，有效治理滑坡灾害；抗滑桩深度对小主应力的影响较小，且出现反复变化；随着抗滑桩深度的增加，湿化作用对抗滑桩位移的影响越来越小，主要原因是湿化只在土体表层发生，抗滑桩埋放较深时，土体湿化不会对抗滑桩产生影响；湿化作用对抗滑桩沉降的影响较小，在5 mm内，但沉降增幅约80%，湿化作用对抗滑桩沉降的影响较大。

图5 湿化作用对抗滑桩应力的影响

图6 湿化作用对抗滑桩位移沉降的影响

3 结论

采用抗滑桩治理G214线囊谦至多普玛段公路滑坡，解决非线性求解收敛性问题后，构建有限元模型对抗滑桩加固进行计算，模拟路堤的水平分层分布，获取整个土体的侧移与沉降。结果显示：桩距会对抗滑桩治理滑坡造成影响，桩距越大，抗滑桩承受的水平位移与弯矩越大；岩土的湿化作用也会对抗滑桩治理滑坡造成影响，湿化会提升抗滑桩的大小主应力，增加边坡稳定性。