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滑坡是一种常见的地质灾害,滑坡的稳定性与防治效果一直是人们比较关注的问题。在库岸滑坡中,库水的升降作用会对滑坡抗滑桩工程效果产生一定的影响。本文在现有理论及研究成果的基础上,选择三峡库区云阳县张桓侯庙滑坡典型剖面,建立基本地质及力学模型,按照多周期计算、不同水位变化速率、不同桩结构特性,以及考虑桩对渗透影响等条件设定了八种工况,对周期性库水作用下抗滑桩工程效果进行了研究。分别对滑坡的渗流场、稳定性、位移,以及抗滑桩的剪力、弯矩和位移进行了详细分析,取得了一些基本成果。
(1)滑坡渗流场特征
在饱和-非饱和渗流理论的基础上,用有限单元法对滑坡渗流进行了数值计算,结果表明:①滑坡浸润线上部为非饱和渗流,下部为饱和渗流,滑坡体是一个饱和-非饱和渗流的统一体;②库水位变化速率不同,滑坡孔隙水压力变化速度也不同,但其数值不受水位变化速率的影响,仅仅与所处滑坡体位置有关;③库水位变化速率越大,坡体内外水头差越大;④当库水位上升时,滑坡渗流矢量方向向下,当库水位下降时,矢量方向基本平行坡面向下,当库水位稳定时,矢量方向接近水平指向坡外,多数情况下,滑带的渗流矢量斜向上指向坡外;⑤由于抗滑桩对渗流的影响,桩顶和桩底位置出现绕流现象;
(2)滑坡原设计抗滑桩效果
滑坡应力与位移方面:①滑坡前缘坡脚位移集中,最大位移出现在该区域,表明坡脚稳定性最差,容易局部破坏;②设桩后滑坡位移发生变化,桩后及滑体下部位移明显减小,桩前上部坡体位移减小较小,特别是前缘坡脚位移减小甚微,表明抗滑桩不能够有效控制滑坡前缘坡脚位移;③设桩前,滑带前缘出现应力集中现象,设桩后,滑带应力集中现象基本消失,但抗滑桩前后滑坡体出现鲕状应力集中区,桩前为正应力,桩后为负应力,表明抗滑桩的抗滑机理是将上部滑体下滑力传递到下部滑床,以达到稳定目的;库水位上升时,滑坡前缘位移减小,后缘位移增大;④当库水位上升或最高水位时刻,滑坡前缘出现位移极小值,库水位下降或最低时,出现位移极大值,滑坡后缘刚好相反;
抗滑桩内力与位移方面:①数值计算与设计计算抗滑桩剪力基本一致,但数值计算抗滑桩顶和桩底剪力不为零,原因是设计计算没有考虑桩端摩擦力,与实际不符;②设计计算弯矩只有正值,数值计算结果既有正值也有负值,其形状呈“S”型;⑧抗滑桩位移从桩底向桩顶依次增大,桩项位移最大,水位上升过程中,桩顶位移先减小后增大,最大值多数出现在水位骤降过程中;④当库水位上升时,抗滑桩剪力增大,极大值出现在高水位时刻,极小值出现在低水位时刻,弯矩值变化刚好相反;
滑坡稳定性方面:①抗滑桩可以有效提高滑坡的稳定性,当库水位上升时,滑坡稳定性增大,水位下降时,滑坡稳定性减小;②稳定性系数最大值出现在水位上升时刻,最小值出现在最高水位或水位下降时刻,滑坡稳定性系数最值的出现与渗流矢量方向、大小、滑坡坡角、渗流体积及坡体结构有关,需要定量计算才能得出准确结论;
(3)多周期库水作用影响
滑坡渗流场、位移、稳定性,以及抗滑桩的内力与位移随库水周期变化较小,即周期性对其影响甚微;
(4)不同水位变化速率抗滑桩效果
滑坡前缘,水位变化速率越快,位移变化周期越短,变化幅度越大,但在后缘区域,影响较小;水位变化速率越快,抗滑桩剪力与弯矩值变化越快,剪力最大值及变化幅度越大,桩顶位移最大值及变化幅度越大;库水变化速度不影响稳定性变化趋势,速率越大,滑坡稳定性越差,变化幅度越大;表明:库水位变化速率越大,对抗滑桩工程影响越大;
(5)不同特性抗滑桩工程效果
滑坡位移控制方面,最优桩位是桩位Ⅱ,而较差桩位是桩位Ⅳ;桩长Ⅳ、Ⅴ控制后缘位移较好,桩长Ⅰ、Ⅱ控制前缘位移略好;桩截面越大,滑坡位移越小;抗滑桩锚固段越弱,所受库水影响越强烈,滑坡位移值越大;
剪力方面,最优桩位为Ⅱ、Ⅲ,最优桩长为Ⅰ、Ⅱ,最优桩截面为Ⅴ;桩顶位移方面,最优桩位为Ⅱ,最差桩位为桩位Ⅳ,最优桩长为Ⅳ和Ⅴ,最优桩截面为Ⅰ;锚固段强度越小,桩顶位移越大,但剪力和弯矩越小;
多周期计算,抗滑桩内力及位移变化趋势基本一致;
稳定性方面,桩位Ⅱ为抗滑桩设置最适宜区域,桩位Ⅳ为最差位置;桩长Ⅱ稳定性最好,桩长Ⅲ最差;桩截面越大,稳定性越好;抗滑桩锚固段强度越低,稳定性越差;
(6)考虑桩对渗流影响的抗滑桩效果
桩周围位移较原设计结果略大;多周期作用条件下,滑坡位移趋势基本一致,仅起点数值略有不同,抗滑桩的剪力、弯矩,以及位移与原设计结果基本相同;
综合分析,抗滑桩对滑坡渗透性的影响甚微,可不予考虑。
(7)修正抗滑桩设计
综合分析八种工况滑坡的渗流场、稳定性、位移及抗滑桩内力与位移等方面的研究成果,对滑坡抗滑桩设计提出初步修正,其结论为:①库岸滑坡治理中,最优桩位应选在Ⅱ与Ⅲ之间为宜;综合考虑工程安全与造价情况下,桩长Ⅳ较为适宜;桩截面越大,滑坡稳定性越好,各部位位移越小,但造价越高,应综合考虑选取;锚固段岩土体力学性质越好,对滑坡及抗滑桩的稳定性及位移控制越好;②现有的抗滑桩设计过程中存在不足之处,传统算法多数认为175m降145m水位为最危险时刻,但实际162m降145m时刻更危险;传统计算滑坡推力为175m降145m水位时刻求得,但依据本文结果,滑坡抗滑桩最大剪力与弯矩出现时间并不同步,剪力最大值多出现在高水位时刻,弯矩极大值多出现在低水位时刻;③在静止水位计算稳定性系数及抗滑桩内力值的基础上,给出了滑坡设计安全系数及抗滑桩内力修正公式。