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黏聚力强度对滑面作用的差异分析

李晰　刘金孟

【摘 要】建立桩板墙支护滑坡的三维模型，以黏聚力为变量进行有限差分数值模拟，在c=0kPa到c=20kPa的计算结果表明：桩后ssi值减小，滑面ssi值增大，改善局部破坏；土拱层次减小，桩后水平力减小，利于桩板受力。较大的滑面黏聚力强度对有一定缓阻作用，能协调结构与滑体的力学效应。
【关键词】滑动面；接触面；黏聚力；数值模拟
滑动面为滑坡地貌的重要组成部分，在滑体稳定因素中起控制作用，通常呈上陡下缓。在长期地质作用下，滑体与滑床的分界面存在压合、摩擦等各类影响。滑坡灾害是山区建设中的重要工程地质和岩土工程问题[1]，对滑动面参数的影响研究则是应有之义。模拟是分析和解决复杂工程地质问题的有效手段[2]，数值技术可向工程设计及研究人员直接表达计算结果。本文利用数值软件对滑坡模型进行计算和分析，探讨滑面抗剪强度参数（黏聚力）对滑坡的影响规律。
1 模型概况
1.1 基本设置
采用实体单元建模。岩土体采用M-C剪切模型，桩板结构采用弹性模型。滑体-桩、滑体-板、滑床-桩、桩-板均建立无厚度的三角形接触单元，用接触面模拟滑动面。假定为天然工况，降雨暂不考虑。
1.2 模型建立
在SketchUp中获取坐标[3]，利用有限差分软件建模，在文献[4]的基础上加植了抗滑桩板墙，由此得到概化模型，如图1所示。
采用平面应变模型，坡高30m，倾角37°，沿坡走向取3L距离（L为桩间距）。考虑土拱效应的L适宜值[5]，取4d（d=2m为桩截面边长）。采用截面为d×d的方桩。桩长20m，嵌固段10m，挡土板厚度0.2m[6]。结合网格数量和计算时间，边界按文献[7]的建议优化设置，前后缘各取至20m，桩底至底边20m。模型底部固定约束，前后侧y向约束，左右侧x向约束，其余为自由面。单元数共14760个，网格尺寸满足精度要求。
1.3 材料参数
滑体密度ρ=2000kg/m3，黏聚力c=20kPa，内摩擦角φ=25°，弹性模量E=40MPa，泊松比υ=0.32；滑床ρ=2350kg/m3，c=60kPa，φ=45°，E=800MPa，υ=0.25；桩ρ=2500kg/m3，E=30GPa，υ=0.2；板ρ=2400kg/m3，E=25GPa，υ=0.2。滑面上如剪切刚度ks、法向刚度ks及c、φ等数值选取，根据实体单元强度参数计算而得，详见文献[8]接触面理论。
2 工况计算
在其它参数不变的情况下，以滑面的黏聚力强度为变量，分别取c=0kPa、10kPa、20kPa等3种工况进行模拟。
2.1 切应变增量（ssi）
切应变增量结果如图2所示。均可看出滑面的塑性区集中在桩后和滑面。
（1）黏聚力为c=0kPa时，滑面ssi值不大，约为2.0e-3～4.0e-3，而桩板后应力集中，最大增量值为1.714e-2，受剪严重；（2）在c=10kPa工况，滑面上ssi值约为4.0e-3～6.0e-3，桩板后最大增量值为1.299e-3；（3）在c=20kPa时，滑面上已达到6.0e-3～8.0e-3，桩板后为1.0e-3左右。这说明接触面的黏聚力强度在逐步发挥黏合作用，对减轻桩板后压力有益。ssi越大的区域破坏的可能性越大，因此较大的黏聚力值有助于平衡支护结构与滑体稳定。
2.2 土拱效应（sxx）
桩后土拱可以协调结构与滑体的工作效应，使其设计和经济得到优化。对z=38m进行切片操作，取中间土拱观察。
从图3可清楚看到，在滑面黏聚力逐渐增大的情况下，水平土拱从明显的3拱层次变为2拱和1拱，且最外层拱所受x向应力值从150～200kPa依次变为100～150kPa和100～50kPa。土拱效应发挥阻滑作用，但并非拱形越明显层次越多就越利于支护结构受力。滑面抗剪强度增大以减少对桩板的下滑压力，具有重要意义。因此，改善滑面（带）的力学性质、减少其孔隙水压力等是滑坡治理的方式选择。
2.3 变形分析（dis）
设置各工况下的变形系数，输出相应的水平位移云图，如图4所示。
图4 xdis变形云图
坡顶深色区域为滑体变形最大部分，从左至右依次为14～15.31cm、0.8～0.86cm、0.51～0.4cm。可见滑面c=0kPa时变形最为严重，接触面未发挥黏聚力强度作用。桩板支护结构向前侧倾斜程度很大，由于板厚为0.2m较桩体刚度小，因此受到上部滑体压力较大而向桩前凸出。而c=20kPa工况下，桩板结构的变形最小，滑体下滑变形最小。因此，接触面的黏聚力强度值可以改善桩板墙结构的受力情况，对滑坡的变形有一定约束作用。
3 结语
在长期地质作用下，滑面（带）充当滑体和滑床的中间媒介，且会受各种因素的影响。目前一致认为滑面（带）的存在是滑坡形成的必要条件。在对滑坡工程的数值模拟应用中，往往不考虑或折减其抗剪强度参数值幅度，以致计算结果往往严重于实际情况。在工程设计阶段也会因滑面的抗剪强度而显得保守。从三种工况的差异分析来看，适当考虑接触面的黏聚力，可以改善支护桩板后的滑土压力，接触面会发挥一定的缓阻作用，协调结构与滑体的力学作用。但如受地下水作用较为频繁、存在滑动迹象等情况时应具体问题具体分析，结合实际情况来进行滑面黏聚力值的折减和赋零。
【参考文献】
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[2]唐辉明.工程地质学基础[M].北京：化学工业出版社，2012：228-229.
[3]刘金孟，李晰.FLAC3D在某滑坡稳定性分析中的应用[J].科技视界，2015（32）：277-278.
[4]邓夷明.双排抗滑桩抗滑机理的研究[D].西南交通大学，2008：27-28.
[5]张建勋，陈福全，简洪钰.被动桩中土拱效应问题的数值分析[J].岩土力学，2004，25（2）：174-184.
[6]公路挡土墙设计与施工技术细则[M].中交第二公路勘察设计研究院有限公司，北京：人民交通出版社，2008：47-48.
[7]张鲁渝，郑颖人，赵尚毅，时卫民.有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J].水利学报，2003，34（1）：0021-0027.
[8]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013：143-144.
[责任编辑：王楠]

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