公路邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固分析

高興杰

（河北省公路學(xué)會(huì)，河北 石家莊 050051）

1 引言

邊坡因其組成成分、坡體形態(tài)、成因條件、環(huán)境變化等因素，不同類型的邊坡工程中仍有問(wèn)題亟待解決，諸如邊坡巖土體強(qiáng)度指標(biāo)確定、邊坡穩(wěn)定性分析、邊坡合理的支護(hù)設(shè)計(jì)等?，F(xiàn)有規(guī)范[1]、手冊(cè)[2]等指導(dǎo)性文件規(guī)定邊坡勘察、設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)如何選擇合理、經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)措施還需進(jìn)行多方面的研究和探討。目前，樁、復(fù)合土釘墻、錨桿（索）、混凝土（鋼）內(nèi)支撐及新型或組合支護(hù)形式已在各類邊坡工程中進(jìn)行了應(yīng)用嘗試[3]。抗滑樁因具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)形式靈活多變、組合兼容性強(qiáng)、施工便宜、設(shè)計(jì)理論完備等優(yōu)點(diǎn)在基坑、邊坡等工程中廣泛應(yīng)用。針對(duì)抗滑樁的研究，已經(jīng)從極限平衡法理論計(jì)算手段的改進(jìn)驗(yàn)算[4]、室內(nèi)相似原理的物理模擬試驗(yàn)[5]、原位樁身變形和內(nèi)力的監(jiān)測(cè)測(cè)試試驗(yàn)[6]、有限元或有限差分方法的全尺寸真三維的數(shù)值模擬試驗(yàn)等[7]，得出了抗滑樁的設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，并研究了邊坡變形對(duì)抗滑樁的內(nèi)力及形變的影響。然而，常用的極限平衡法無(wú)法全面反映土體側(cè)移變形對(duì)支護(hù)樁的影響，即無(wú)法考慮樁-土協(xié)同變形而造成設(shè)計(jì)支護(hù)安全或偏不安全。近些年，學(xué)者逐漸引入抗滑樁加固邊坡的結(jié)構(gòu)-坡體協(xié)同理念，深入探討樁身截面尺寸、樁長(zhǎng)、設(shè)樁位置、樁間距等樁幾何尺寸因素對(duì)支護(hù)效果的影響，以此作為優(yōu)化的依據(jù)[8]。但是，依據(jù)工程勘察提供的土體物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，理論支持匱乏，造成邊坡變形甚至失效或支護(hù)結(jié)構(gòu)“過(guò)?！?。

為此，本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例，采用PLAXIS3D 有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，利用考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法，分析抗滑樁支護(hù)、樁—墻聯(lián)合支護(hù)兩種支護(hù)設(shè)計(jì)方法對(duì)邊坡變形和穩(wěn)定性的影響，提出優(yōu)化合理的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)一步分析坡頂后續(xù)堆積荷載對(duì)重新支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性影響，分析在各種工況下樁身變位、坡體變形等特點(diǎn)，以期為抗滑樁工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

該公路按照一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，路基寬度24.5m，其中新建特大橋1 座、新建大橋1 座。該公路在起始段為堆填路堤邊坡，并在邊坡的左側(cè)邊緣距離路堤坡頂24m處設(shè)置一臨時(shí)棄土場(chǎng)（圖1）。根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)勘察資料顯示，擬建公路穿越的位置原為一淤積池塘，因初期施工速度等原因使得淤積池塘中的淤泥留存厚10m，除此之外場(chǎng)地內(nèi)土層由上自下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)粘土（Q4dl）、侏羅紀(jì)中統(tǒng)沙溪廟組砂巖（J2s）。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 擬建棄土場(chǎng)及其相鄰邊坡示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 支擋防護(hù)設(shè)計(jì)方案及模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)揭露的地層情況、后續(xù)邊坡卸載處置措施、擬建棄土場(chǎng)的堆土量級(jí)等基本工程情況，支擋防護(hù)措施分為兩種：

①抗滑樁支護(hù)：樁長(zhǎng)6m，間距5.5m，樁徑1m，設(shè)樁位置位于坡腳；挖除坡體上部土體2m×13m；樁間距根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行反復(fù)調(diào)試確定。

②抗滑樁+毛石擋墻支護(hù)：樁長(zhǎng)6m，間距5.5m，樁徑1m；毛石擋墻長(zhǎng)33m，寬1m，高6m；挖除坡體上部土體2m×13m。

采用PLAXIS3D 有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，通過(guò)樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法，研究抗滑樁支護(hù)的原邊坡變形特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)施工方案的有效實(shí)施提供技術(shù)支撐。三維計(jì)算模型如圖2所示，已進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化與計(jì)算調(diào)試。為了建立的三維計(jì)算模型能合理反應(yīng)地層分布、地形地貌、抗滑樁、樁間擋墻及棄土場(chǎng)擬建荷載等，建立的三維計(jì)算模型長(zhǎng)40m、寬100m、高50m。巖土體本構(gòu)模型可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。三維計(jì)算樁、墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 不同階段計(jì)算模型

表2 樁、墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

4.1 抗滑樁模擬結(jié)果分析

邊坡破壞示意圖如圖3所示，計(jì)算時(shí)凍結(jié)邊坡外土體，選擇抗滑樁相應(yīng)材料進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 邊坡破壞

圖4 塑性點(diǎn)圖

圖5 位移云圖

由圖4可見(jiàn)，樁距5.5m 時(shí)，抗滑樁加固坡體發(fā)生顯著變形，該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞，說(shuō)明坡體自身相對(duì)來(lái)說(shuō)已發(fā)生失穩(wěn)，該加固措施并非適宜。通過(guò)坡體內(nèi)部的塑性點(diǎn)分布可以看出，在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著大量的拉伸截?cái)帱c(diǎn)（圖5），反映了坡體中部、坡體后緣出現(xiàn)張裂縫。

根據(jù)圖5的位移云圖可以看出，在坡體及抗滑樁樁頂?shù)奈恢卯a(chǎn)生的位移最大，為3cm，接近《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497-2009）規(guī)定[1]：基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值為4cm。根據(jù)規(guī)范[1]第5.3.2條規(guī)定，對(duì)于一級(jí)的邊坡其安全系數(shù)需大于1.35，該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.2，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備不足。

對(duì)此，對(duì)樁距進(jìn)行調(diào)整，分別考慮樁距為4.5m、3.5m、2.5m時(shí)，該邊坡的變形和穩(wěn)定性情況。樁距與邊坡變形、樁距與坡體穩(wěn)定性關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 樁距與表征參數(shù)關(guān)系曲線

從圖6 可見(jiàn)，樁距與邊坡變形成正比關(guān)系，樁距與坡體穩(wěn)定性系數(shù)成反比關(guān)系。即隨著樁距的增加，邊坡和樁頂向坡外的最大水平位移逐漸減小，從樁間距5.5m的變形3cm逐漸減小到樁間距2.5m的0.6cm；隨著樁距的增加，坡體穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小，從樁間距2.5m的1.5逐漸減小到樁間距5.5m的1.2。

4.2 抗滑樁+毛石擋墻模擬結(jié)果分析

在樁基間距5.5m工況下，激活毛石擋墻，以開(kāi)展抗滑樁+毛石擋墻邊坡的支擋防護(hù)措施的效果分析。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7（a）為抗滑樁+毛石擋墻支護(hù)后坡體內(nèi)部的塑性點(diǎn)圖，與圖4 相關(guān)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可以看出，在采用聯(lián)合支護(hù)之后，邊坡附近的塑性點(diǎn)明顯減少，說(shuō)明聯(lián)合支護(hù)后坡體區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)對(duì)比坡體變形情況，統(tǒng)計(jì)變形量發(fā)現(xiàn)，卸載后變形量?jī)H為8mm，符合對(duì)邊坡設(shè)計(jì)的4cm 水平位移要求，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.5，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 邊坡卸載效果分析

從計(jì)算結(jié)果可以看出，抗滑樁（間距5.5m）+毛石擋墻和2.5m間距抗滑樁支護(hù)后的支護(hù)效果基本一致。

4.3 堆積荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

如前所述，在距離坡頂30m 位置處設(shè)計(jì)擬建棄土場(chǎng)的堆載荷載，荷載輸入500kPa（該荷載為一期棄土堆置的總荷載），堆載范圍為半徑14m的圓形范圍。在抗滑樁+毛石擋墻支護(hù)措施的工況下，激活荷載后，計(jì)算模型如圖8所示，結(jié)果如圖9所示。

圖8 堆載荷載示意圖

圖9 堆積荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

從圖9（a）、圖9（b）可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)荷載作用下，棄土場(chǎng)堆載對(duì)邊坡的變形影響很小，水平位移僅為10mm，小于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）[1]所規(guī)定的界限，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)仍為1.5，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，由邊坡塑性點(diǎn)分布可見(jiàn)，在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著少量的拉伸截?cái)帱c(diǎn)，但結(jié)合坡體和樁頂?shù)淖冃慰梢?jiàn)，影響不大。

進(jìn)一步通過(guò)改變堆積荷載來(lái)模擬擬建棄土場(chǎng)所能達(dá)到的最大庫(kù)容，以優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)。荷載輸入500kPa、700kPa、900kPa、1000kPa。所得計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著坡后堆積荷載的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低，位移增大。在現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，擬建棄土場(chǎng)的最大堆載量可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的兩倍。

圖10 不同堆積荷載計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例，采用PLAXIS3D有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，利用考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法，研究抗滑樁支護(hù)的原邊坡變形破壞特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)變形破壞的邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)研究，同時(shí)考慮坡頂后續(xù)堆積荷載對(duì)重新支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果表明：

①樁距5.5m時(shí)，抗滑樁加固坡體發(fā)生顯著變形，該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞，在坡頂位置的潛在滑移面產(chǎn)生的滑移剪切破壞，說(shuō)明坡體自身相對(duì)來(lái)說(shuō)已發(fā)生失穩(wěn)，該加固措施并不適宜。

②間距5.5m抗滑樁+毛石擋墻聯(lián)合支護(hù)措施，可以有效控制邊坡變形，保證邊坡穩(wěn)定。即支護(hù)后變形的變形量?jī)H為6mm，符合一般對(duì)邊坡設(shè)計(jì)的4cm 水平位移要求，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.5，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

③在后續(xù)興建的棄土場(chǎng)荷載作用下，邊坡受到的影響有限。在現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，擬建棄土場(chǎng)的最大堆載量可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的兩倍。