加筋土樁板墻聯(lián)合支護(hù)的高填方邊坡穩(wěn)定性分析的研究

羅人濱 劉曉芳

（江西省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊 江西九江 332000）

在開展山區(qū)工程的建設(shè)過程中，通常在地理位置、施工線路等方面的設(shè)置過程中經(jīng)過高填方邊坡，此類填方的高度非常大，無法達(dá)到自然放坡效果，相關(guān)人員必須選擇適合的支護(hù)措施，以提供加固力量。原有的加筋土擋墻有著成本低廉、整個施工流程較為簡便等優(yōu)勢，在巖土工程建設(shè)方面的應(yīng)用十分廣泛。加筋土技術(shù)在20世紀(jì)被研究出后，技術(shù)人員對該技術(shù)中的加筋機(jī)理展開了進(jìn)一步的研究，并對加筋土結(jié)構(gòu)予以完善，逐步拓寬了加筋土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，并建立了科學(xué)的數(shù)據(jù)及對影響因素相關(guān)的分析體系。

1 支護(hù)方式分析

隨著當(dāng)前巖土工程的建設(shè)規(guī)模越來越大，施工條件與環(huán)境有了不同程度的提高，單一支護(hù)方式或結(jié)構(gòu)在支護(hù)要求方面很難達(dá)到相應(yīng)的支護(hù)效果，無法滿足施工及設(shè)計需求?；诖?，聯(lián)合支護(hù)方式受到相關(guān)人員的普遍關(guān)注，在聯(lián)合作用下，結(jié)合實際施工情況，選取適合的支護(hù)方式，將此類支護(hù)方式的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，能夠起到非常明顯的加固作用。

較為常見的加固方式有加筋土擋墻與樁板墻兩種支護(hù)方式及其聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。相關(guān)研究人員對加筋土擋墻及樁板墻支護(hù)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，但在聯(lián)合支護(hù)方面的研究較少。

近幾年來，隨著對支護(hù)技術(shù)的不斷分析和深入了解，有研究人員發(fā)現(xiàn)，利用有限元強(qiáng)度折減法，能夠?qū)咏钔翐鯄εc抗滑樁形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)計算，通過這種方式，促使巖土工程能夠達(dá)到較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安全性。在對支護(hù)結(jié)構(gòu)展開受力分析的過程中，研究人員根據(jù)對各類計算參數(shù)的分析，可以得出各類影響因素，在對因素進(jìn)行分層分析后，可以進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方案。軟件FLAC3D的使用能夠為聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)值分析模型，通過這種方式，對不同類型的面板建筑模式及土擋墻的墻面位移、樁身位移和樁身彎矩等方面的應(yīng)力分布影響進(jìn)行分析［1-2］。

2 工程案例

在某山區(qū)開展巖土工程建設(shè)，其施工場地具有一定的復(fù)雜性。人工形成填方邊坡，高度為35m，因其填方高度較大，相關(guān)人員采取加筋土、樁板墻的聯(lián)合支護(hù)方式，以起到相應(yīng)的支護(hù)作用。在高填方邊坡中，通常分為3 個級別，每個級別高度為8m，放坡比例為1∶1。在開展邊坡土體加筋技術(shù)過程中，筋帶裝置采取紡?fù)凉げ?，其長度和垂直間距分別為15m和0.5m，筋帶的抗拉強(qiáng)度是200kN/m。在邊坡的下方增設(shè)樁板墻裝置，樁板墻總體長度22m，其中，懸臂長11m，抗滑樁的截面尺寸為1.8m×2.4m，另外，樁間距4m。在樁板墻側(cè)土體加筋方面，其筋帶長和垂直間距分別為26m和0.5m，抗拉強(qiáng)度達(dá)200kN/m。

3 計算參數(shù)的設(shè)計

3.1 計算方法

在PLAXIS軟件的應(yīng)用期間，可以開展強(qiáng)度折減功能，其中，折減主要指促使坡體在實際抗剪強(qiáng)度方面設(shè)置指標(biāo)c、φ 除以一個系數(shù)后成為Fs（折減系數(shù)），再將完成折減作用后的抗剪強(qiáng)度代替實際的土體強(qiáng)度，當(dāng)土體強(qiáng)度達(dá)到臨界平衡點時，其折減系數(shù)就是邊坡安全系數(shù)。在PLAXIS軟件的內(nèi)部程序運行過程中，可形成相應(yīng)的折減過程，并以此形成所有巖土體的折減計算，將土體抗剪的強(qiáng)度不斷降低，最后得出邊坡區(qū)域在最危險情況下的滑裂面，促使邊坡穩(wěn)定系數(shù)的精準(zhǔn)度可以達(dá)到后續(xù)的施工需求［3］。

3.2 材料參數(shù)

結(jié)合實際工程來看，相關(guān)人員可以選擇具有一定彈塑性的摩爾/庫侖材料的模型，以此開展模擬過程，其中，有關(guān)巖土體的物理參數(shù)選取情況如表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)

3.3 土工格柵方面

筋帶方面，采取土工格柵單元方式開展模擬進(jìn)程，其中，土工格柵有著一定的軸向剛度，屬于一種細(xì)長型結(jié)構(gòu)，在壓力方面的承受力較差，拉力承受水平較高，所以，土工格柵在單元構(gòu)成關(guān)系方面類似線彈性單元。土工格柵中的材料性質(zhì)為EA（彈性軸向剛度），在案例工程中，所采取的抗拉強(qiáng)度設(shè)置為200kN/m，若應(yīng)變可達(dá)10%，此時為極限強(qiáng)度。

3.4 樁板墻方面

樁板墻通過PLAXIS軟件中的板單元進(jìn)行模擬，其中，板結(jié)構(gòu)在材料性質(zhì)中最為關(guān)鍵的參數(shù)是EI（抗彎剛度）和EA（軸向剛度），具體的抗滑樁各部分參數(shù)信息如表2所示，其中，樁的EI值與樁間距的比值可以轉(zhuǎn)換為抗彎剛度。

表2 抗滑樁參數(shù)

4 邊坡穩(wěn)定性及安全系數(shù)分析

通常來看，邊坡的安全系數(shù)與筋帶的強(qiáng)度水平有著密切聯(lián)系，若筋帶的強(qiáng)度增加，其安全系數(shù)也會相應(yīng)增大。筋帶長度增加，安全系數(shù)增大［4］；但如果筋帶的長度超出一定范圍，安全系數(shù)不會產(chǎn)生變化。抗滑樁的長度與安全系數(shù)在一定增長范圍內(nèi)成正比，所以，在樁長的設(shè)計方面，需確保其合理性，并選擇質(zhì)量較好的填土類型。

4.1 穩(wěn)定安全系數(shù)分析

經(jīng)軟件計算得出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)是1.43，超出規(guī)范要求，代表邊坡穩(wěn)定性的需求可以達(dá)到。其中，邊坡滑裂面的位置處于加筋土體邊緣區(qū)域，若邊坡發(fā)生破壞，則土體會沿著第一級的土擋墻底部區(qū)域滑出［5］。

4.2 土工格柵內(nèi)力

在加筋土完成施工作業(yè)后，土工格柵的最大受力位置位于11m 處，該高度為即樁板墻的頂端。在樁板墻的位移和內(nèi)力進(jìn)行分析的過程中，樁板墻產(chǎn)生最大位移的區(qū)域為懸臂段的頂端部分，其位移最大值0.03m，在承受范圍內(nèi)；抗滑樁的最大剪力值是4114kN，最大彎矩是8442kN·m，最大內(nèi)力值產(chǎn)生在樁體的11m處，應(yīng)力集中區(qū)域。

4.3 影響因素分析

4.3.1 筋帶的強(qiáng)度

筋帶的強(qiáng)度水平能夠?qū)栋鍓Φ姆€(wěn)定性產(chǎn)生非常明顯的影響，所以，在設(shè)計過程中，需對筋帶的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，并不斷完善、優(yōu)化設(shè)計方案。從當(dāng)前的工程能夠看出，現(xiàn)階段常用土工布的強(qiáng)度通常選擇200、150、100kN/m，不同類型筋帶強(qiáng)度計算情況如表3所示。在筋帶強(qiáng)度不斷降低后，其邊坡的安全系數(shù)會相應(yīng)減小，并使得樁板墻的位移變化降低，同時促使剪力、彎矩數(shù)值增大。當(dāng)筋帶強(qiáng)度控制在100kN/m 時，樁板墻的剪力值僅比200kN/m 時增大0.8%，若彎矩增加0.4%，安全系數(shù)可達(dá)1.38，所以，土工布的類型選擇100kN/m抗拉強(qiáng)度即可。

表3 筋帶強(qiáng)度不同時的樁板墻信息參數(shù)分析

4.3.2 筋帶長度

樁側(cè)土體若增設(shè)了樁板墻作為支護(hù)裝置，那么，樁側(cè)土體則無須加筋，在未加筋情況下，邊坡安全系數(shù)控制為1.38，與加筋情況下的安全系數(shù)相同。產(chǎn)生此類現(xiàn)象的主要原因是土體在第一級邊坡的低端有所滑出，而樁側(cè)的土體沒有被破壞，所以，對樁側(cè)土體進(jìn)行加固作用與邊坡安全系數(shù)沒有直接關(guān)系。若樁板墻的位移沒有變化，樁板墻的剪力、彎矩都增加了3%，筋帶可以節(jié)省44%，所以，柱側(cè)區(qū)域可不進(jìn)行加筋處理。

當(dāng)邊坡被破壞時，其內(nèi)部的土體會沿著加筋土（第一級）的底部區(qū)域滑出，該區(qū)域的擋墻筋帶的內(nèi)力通常較大，若長度沒有進(jìn)行優(yōu)化，那么，第二、三級的筋帶長度必須優(yōu)化。筋帶的長度若有所減小，那么，邊坡的安全系數(shù)則會明顯降低，樁板墻裝置的位移沒有變化，且樁板墻的剪力、彎矩值也會保持不變。在對筋帶長度進(jìn)行優(yōu)化作用后，第一、二、三級擋墻的筋帶長度分別為15m、14m、13m，此時，擋墻的穩(wěn)定安全系數(shù)是1.37，滿足要求［6］。

4.3.3 樁長

在樁長因素的影響分析方面，對筋帶的長度進(jìn)行優(yōu)化后，減少樁長，其中，完成優(yōu)化的擋墻筋長度分別為：第一級15m，第二級14m，第三級13m。在樁長變化基礎(chǔ)上，對其受力情況進(jìn)行計算，樁長在保持減小的情況下，邊坡的穩(wěn)定性有所降低，其安全系數(shù)也會相應(yīng)下降，同時，樁板墻的位移保持不變，在樁板墻的剪力、彎矩值方面也有所減小。在樁長有所減小后，將懸臂段及埋入段的距離控制在9m 時，其邊坡安全系數(shù)會降低到1.25，不滿足安全規(guī)范需求。所以，樁長在懸臂段、嵌固段區(qū)域的取值為10m，樁體總長度為20m［7］。

4.3.4 土體性質(zhì)分析

土體性質(zhì)的差異會對邊坡的穩(wěn)定性及安全系數(shù)產(chǎn)生一定的影響?；诖耍夹g(shù)人員可設(shè)置兩種不同類型的填土，分別為c、φ值，以此對邊坡的安全系數(shù)及結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等參數(shù)進(jìn)行分析，并以此研究填土的變化情況。

不難看出，在c值不斷增大的基礎(chǔ)上，邊坡的安全系數(shù)有著十分明顯的提高（1.35～1.47），樁板墻的位移保持不變，剪力及彎矩稍有增加。而另一種土體φ 值可設(shè)置為30°，并逐漸增加到42°，結(jié)果顯示：φ 值不斷增大時，邊坡的安全系數(shù)明顯上升，且上升值較大（1.06～1.45），同時，樁板墻的位移保持穩(wěn)定，剪力、彎矩有所增大。由此可知，土體性質(zhì)的差異性在邊坡穩(wěn)定性方面的影響程度較大，一旦土體質(zhì)量有所提高，其邊坡的安全系數(shù)也會明顯增長。所以，在此類巖土工程施工過程中，填土的質(zhì)量必須得到保障，若高填方的邊坡填土類型的選擇較為有限，需以穩(wěn)定性有限，對填土進(jìn)行改善，施工人員可采取分層碾壓的方式加強(qiáng)土體的質(zhì)量［8］。

5 結(jié)語

總的來看，邊坡的安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)會與筋帶強(qiáng)度成正比例增大變化，但筋帶的長度若超出相應(yīng)的范圍，安全系數(shù)不會產(chǎn)生明顯的增大作用，所以，施工期間需確保筋帶的長度合理。影響邊坡安全性與穩(wěn)定性的因素還包括抗滑樁的長度，抗滑樁的長度也需控制在合理范圍內(nèi)，促使安全系數(shù)最大化。在土體性質(zhì)方面，填土質(zhì)量會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，此類工程需選擇質(zhì)量較高的填土類型。