抗滑樁參數(shù)變化對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究

丁橋軍， 董鐵斌

(湖南路橋建設(shè)集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004)

抗滑樁以其經(jīng)濟實用、布置方便和超強的抗滑能力等優(yōu)點而成為公路邊坡防護的重要形式之一。但實際工程中由于抗滑樁參數(shù)設(shè)計不足等缺陷導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象時有發(fā)生，研究抗滑樁的設(shè)計參數(shù)對維護邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。羅勇等對h型抗滑樁在滑坡治理中的變形特性及內(nèi)力進行分析，得出h型抗滑樁治理特大型滑坡的效果顯著，h型抗滑樁形成整體后的一段時間內(nèi)滑坡變形收斂，邊坡趨于穩(wěn)定；李梅等基于土拱效應(yīng)對抗滑樁樁距展開研究，從經(jīng)濟與安全兩方面綜合考慮選取最優(yōu)樁距，優(yōu)化后樁距從5.16 m增為5.5 m，經(jīng)濟上節(jié)約11%；李恒楊等針對圓形與矩形截面門架式抗滑樁性能進行對比分析，發(fā)現(xiàn)相同截面積和埋深情況下圓形門架樁的抗滑性能優(yōu)于矩形門架樁，且能減少配筋；吳靜華等對樁前不開挖的抗滑樁進行離心機模型試驗研究，得出在不開挖情況下抗滑樁對周圍土體響應(yīng)有一定加固和阻滯作用，樁頂位移隨地震波的輸入變大。上述研究基本只針對抗滑樁的單一參數(shù)或性能及布置形式，對抗滑樁本身設(shè)計參數(shù)變化的影響研究較少。該文以某人工加固土質(zhì)邊坡為工程背景，分析抗滑樁不同設(shè)計參數(shù)對邊坡變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響，為邊坡工程抗滑樁設(shè)計提供參考。

1 工程概況

某人工加固土質(zhì)邊坡處于丘陵地帶，坡角為25°～35°，頂平坡陡。邊坡地層填土分別為帶碎石的粉質(zhì)黏土、滑坡體土及黏土，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。存在滑坡危害的坡體長度近85 m，滑坡體積達3萬m3，同時滑坡體頂部出現(xiàn)大量裂縫，中部出現(xiàn)多道張拉裂縫，存在嚴重滑坡隱患。該邊坡地面長116 m，整體坡高33 m，邊坡后緣長12 m，前緣長20 m。為加固邊坡，在離坡角約20 m處平行設(shè)置兩道長度為19 m的矩形截面抗滑樁，間距為4 m，截面尺寸為2 m×3 m。邊坡截面見圖1。

表1 邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡截面簡化示意圖(單位：m)

2 模型建立

運用有限元軟件FLAC3D建立長、高分別為116和58 m的人工加固邊坡數(shù)值模型，包含4 525個單元、6 682個節(jié)點(見圖2)。

圖2 邊坡有限元模型

模型中采用強度折減法計算邊坡安全系數(shù)，以計算收斂值判定邊坡是否失穩(wěn)。選取自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場。假定條件為抗滑樁與巖土均為理想線彈性體，土體為理想彈塑性體。本構(gòu)模型采用可同時考慮關(guān)聯(lián)流動拉伸屈服與非關(guān)聯(lián)流動剪切屈服的摩爾-庫侖模型。邊界條件為上部設(shè)置為自由邊界，兩側(cè)進行法向約束，底部采用固定約束?？够瑯哆x用樁單元模擬，樁單元和模型網(wǎng)格間的相互作用采用法向與切向的耦合彈簧模擬，耦合彈簧為非線性彈簧-滑塊連接體。抗滑樁的物理參數(shù)見表2。

表2 抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 截面尺寸

抗滑樁一般分為矩形截面和圓形截面兩種布置形式，實際工程中應(yīng)用較多的為矩形截面抗滑樁。為研究不同矩形截面尺寸抗滑樁對邊坡變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響，分別針對布置截面尺寸為0.5 m×1 m、1 m×1.5 m、1.5 m×2 m、2 m×2.5 m、2 m×3 m抗滑樁的邊坡水平和豎直位移、最大彎矩和剪力、安全系數(shù)進行對比分析?？够瑯督孛娉叽鐚吰伦冃?、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和穩(wěn)定性的影響分別見圖3、圖4、圖5。

圖3 抗滑樁不同截面尺寸-位移變化曲線

由圖3可知：隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡水平位移、豎直位移及抗滑樁水平位移均逐漸減小，其中邊坡水平和豎直位移的減小趨勢較平緩，抗滑樁水平位移變化較大；截面尺寸超過2 m×2.5 m后，各方向位移變化均趨于穩(wěn)定，說明增大抗滑樁截面尺寸雖能減少邊坡變形，但當截面尺寸達到某值

圖4 抗滑樁不同截面尺寸-邊坡結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化曲線

圖5 抗滑樁不同截面尺寸-邊坡安全系數(shù)變化曲線

時將不再對邊坡變形造成影響。

由圖4可知：1) 隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡的最大負彎矩不斷減小，整體降幅較大。截面尺寸由0.5 m×1 m增至2 m×2.5 m時，最大負彎矩呈現(xiàn)較大減小趨勢；截面尺寸超過2 m×2.5 m后，最大負彎矩逐漸趨于穩(wěn)定。說明增大截面尺寸可降低最大負彎矩，維護邊坡的穩(wěn)定。2) 邊坡的最大剪力隨著抗滑樁截面尺寸的增大呈現(xiàn)先負向增大后正向增大的不規(guī)則變化，截面尺寸較小時，最大剪力呈現(xiàn)較大負值；截面尺寸較大時，最大剪力開始轉(zhuǎn)為正值；截面尺寸超過2 m×2.5 m后，最大剪力趨于穩(wěn)定。

由圖5可知：隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，且呈現(xiàn)明顯的分段性增幅，說明增大抗滑樁截面尺寸可提高邊坡的穩(wěn)定性；截面尺寸達到2 m×2.5 m后，安全系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上，增大抗滑樁截面尺寸可減小邊坡變形和受力，提高邊坡的穩(wěn)定性。考慮到成本控制和施工難度，不能過大增加抗滑樁截面尺寸，實際工程中抗滑樁矩形截面尺寸以2 m×2.5 m為宜。

3.2 錨固深度

抗滑樁埋入邊坡土層的樁長即為錨固深度，不同埋深對邊坡的影響存在較大差異。為研究抗滑樁不同錨固深度對邊坡變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響，針對布置錨固深度分別為4、6、8、10及12 m抗滑樁的邊坡水平和豎直位移、最大彎矩和剪力、安全系數(shù)進行對比分析。不同抗滑樁錨固深度對邊坡變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和穩(wěn)定性的影響分別見圖6、圖7、圖8。

圖6 抗滑樁不同錨固深度-位移變化曲線

圖7 抗滑樁不同錨固深度-邊坡結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化曲線

圖8 抗滑樁不同錨固深度-邊坡安全系數(shù)變化曲線

由圖6可知：隨著抗滑樁錨固深度的加大，邊坡豎直位移和抗滑樁水平位移均逐漸減小，邊坡水平位移則先減后增最后逐漸達到穩(wěn)定。錨固深度由4 m增至8 m時，各方向位移減小趨勢較明顯；錨固深度超過8 m后，邊坡位移變化逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。增加抗滑樁錨固深度可減少邊坡變形，考慮到邊坡水平位移的變化，錨固深度為8～10 m時，邊坡變形整體最小。

由圖7可知：1) 隨著抗滑樁錨固深度的增加，邊坡最大彎矩不斷增大，說明錨固深度越大，抗滑樁受力越大，發(fā)生的彎曲越大。錨固深度為10～12 m時，最大彎矩增幅最大，說明過大的錨固深度會對抗滑樁受力造成較大影響，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降；錨固深度為8～10 m時，最大彎矩增幅最小，抗滑樁的受力合理，可更好地維持邊坡的穩(wěn)定。2) 隨著抗滑樁錨固深度的加大，邊坡最大剪力呈先減后增再減的變化趨勢。錨固深度由4 m增至6 m時，最大剪力減小約5 kN；錨固深度由6 m增至8 m時，剪力增大約7 kN；錨固深度超過8 m后，最大剪力直線下降?？够瑯跺^固深度過大容易造成抗滑樁剪力損失較大，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降。

由圖8可知：邊坡安全系數(shù)隨著抗滑樁錨固深度的增加而增大，并逐漸達到一個穩(wěn)定值。錨固深度由4 m增至8 m時，邊坡安全系數(shù)呈線性增加；錨固深度超過8 m后，穩(wěn)定系數(shù)不再變化。

綜上，為保證邊坡變形最小、受力最合理、穩(wěn)定性最強，對于長度為19 m的抗滑樁，錨固深度以8 m為最佳。

3.3 樁間距

合理的抗滑樁間距不僅能提升邊坡的穩(wěn)定性，更能減少工程造價、降低施工難度。為研究抗滑樁不同間距對邊坡變形、內(nèi)力及穩(wěn)定性的影響，針對樁間距分別為3、3.5、4、4.5、5 m的邊坡水平和豎直位移、最大彎矩和剪力、安全系數(shù)進行對比分析。不同抗滑樁間距對邊坡變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和穩(wěn)定性的影響分別見圖9、圖10、圖11。

圖9 抗滑樁不同間距-位移變化曲線

由圖9可知：邊坡水平和豎直位移隨著抗滑樁間距的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，抗滑樁的水平位移隨著樁間距的增大而逐漸增大。樁間距由3 m

圖10 抗滑樁不同間距-邊坡結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化曲線

圖11 抗滑樁不同間距-邊坡安全系數(shù)變化曲線

增大至4 m時，邊坡位移整體變化較明顯；樁間距超過4 m后，邊坡位移變化逐漸平緩。樁間距小于4 m時，內(nèi)部相互作用過大，導(dǎo)致邊坡發(fā)生較大位移，而樁間距過大會對抗滑樁位移造成較大影響，為防止邊坡發(fā)生變形失穩(wěn)，樁間距宜設(shè)置為4 m。

由圖10可知：1) 隨著抗滑樁間距的增大，邊坡最大負彎矩不斷變大，說明樁間距增加會增大單個抗滑樁的受力，發(fā)生過大彎曲，導(dǎo)致抗滑樁加固性能下降。樁間距小于4 m時，最大彎矩增長幅度逐漸減??；樁間距大于4 m時，最大彎矩增長幅度逐漸增大。說明樁間距趨于4 m時，最大彎矩最穩(wěn)定，邊坡受力最均勻。2) 隨著樁間距的增加，邊坡最大剪力呈先減小后增大的趨勢。樁間距小于4 m時，最大剪力較小，邊坡受力過??；樁間距大于4 m時，最大剪力較大，邊坡受力較大。邊坡受力過大或過小都極易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，樁間距布置為4 m時邊坡受力最合理。

由圖11可知：邊坡安全系數(shù)隨著抗滑樁間距的增大而減??；間距小于4 m時，安全系數(shù)變化較?。婚g距超過4 m后，安全系數(shù)急劇降低。說明增大樁間距會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降，樁間距不宜過大。

綜上，抗滑樁間距取4 m時，邊坡安全系數(shù)最高，穩(wěn)定性最好。

4 結(jié)論

(1) 增大抗滑樁截面尺寸可降低邊坡變形，減小邊坡受力，提高邊坡的穩(wěn)定性?？紤]到成本控制和施工難度，不能過大地增加抗滑樁截面尺寸，實際工程中抗滑樁矩形截面尺寸以2 m×2.5 m最適宜。

(2) 適宜的抗滑樁錨固深度可保證邊坡變形最小、受力最合理、穩(wěn)定性最強，對于長度為19 m的抗滑樁，錨固深度采用8 m最佳。

(3) 隨著抗滑樁間距的增大，邊坡位移先增大后減小，邊坡受力整體呈增大趨勢，安全系數(shù)逐漸降低。樁間距設(shè)置為4 m時，邊坡變形最小，受力最合理，穩(wěn)定性最好。