抗滑樁加固參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值計(jì)算

刁海珠

（安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年來，我國(guó)鐵路、公路、庫(kù)區(qū)等工程開始向偏遠(yuǎn)山區(qū)的發(fā)展，由于我國(guó)山區(qū)地形崎嶇、地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中深挖高填現(xiàn)象十分普遍，由此產(chǎn)生了較多的邊坡工程問題，帶來的經(jīng)濟(jì)及安全損失也日益增加。目前邊坡治理成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，其中最為有效的方法是進(jìn)行邊坡加固，常見的加固方法有注漿加固、擋土墻加固、抗滑樁加固、預(yù)應(yīng)力錨桿（錨索）加固等。其中抗滑樁加固是一種應(yīng)用廣泛且有效的加固方法，目前對(duì)抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的研究多集中在模型試驗(yàn)和加固效果計(jì)算上[1-5]，而對(duì)于抗滑樁加固參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究較少，本文基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，從樁位、樁長(zhǎng)兩種抗滑樁加固參數(shù)出發(fā)，計(jì)算不同抗滑樁加固參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)著重分析邊坡內(nèi)部土體以及樁體的響應(yīng)規(guī)律，為利用抗滑樁加固的邊坡工程提供參考。

2 數(shù)值分析模型

本文采用的邊坡及抗滑樁計(jì)算模型如圖1所示，坡高10m、坡比為1:1.5。關(guān)鍵性邊坡土體參數(shù)：黏聚力c=20.1kPa、內(nèi)摩擦角φ=23°、密度γ=21.5kN/m3。邊坡土體采用修正劍橋模型，抗滑樁采用彈性模型。FLAC3D中的抗滑樁單元示意圖如圖2所示。

圖1 抗滑樁及邊坡計(jì)算模型

圖2 抗滑樁單元示意圖

3 抗滑樁加固參數(shù)計(jì)算結(jié)果

現(xiàn)通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，從樁位以及樁長(zhǎng)兩種抗滑樁加固參數(shù)出發(fā)，計(jì)算不同抗滑樁加固參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定性，研究了抗滑樁加固邊坡的剪力、位移以及彎矩的變化規(guī)律以及對(duì)其周圍邊坡土體的影響。

首先計(jì)算邊坡在自然狀態(tài)下的破壞形式，以此作對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算出該邊坡在自重下的安全系數(shù)FS為1.59，從圖3可以看出，在邊坡土體剪應(yīng)變較大處出現(xiàn)了一個(gè)塑性貫通區(qū)，產(chǎn)生了潛在滑動(dòng)面。

圖3 自然狀態(tài)下邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D

3.1 不同樁位條件下計(jì)算結(jié)果

圖4為不同樁位條件下邊坡的最大剪應(yīng)變?cè)茍D，由圖可知，當(dāng)抗滑樁設(shè)置在坡體不同位置上時(shí)，邊坡的破壞形式，即潛在滑動(dòng)面位置是具有較大差異的。當(dāng)抗滑樁設(shè)置在邊坡的中下部靠近坡腳時(shí)（XF／Lx=0、0.2、0.4），邊坡產(chǎn)生的塑性區(qū)區(qū)域從坡頂一直延伸到樁頂處，且形成滑動(dòng)面，抗滑樁至坡腳處的邊坡土體沒有產(chǎn)生塑性區(qū)。當(dāng)抗滑樁設(shè)置在靠近邊坡中心處時(shí)（XF／Lx=0.6），抗滑樁靠近坡頂和坡腳兩側(cè)的邊坡土體均產(chǎn)生了較大的剪應(yīng)變，各形成了一個(gè)塑性區(qū)，且范圍較大，且有樁底深處土體蔓延的規(guī)律，但由于抗滑樁的阻隔，未形成連續(xù)的滑動(dòng)面。當(dāng)抗滑樁設(shè)置在邊坡的中上部靠近坡頂處時(shí)（XF／Lx=0.8、1.0），邊坡產(chǎn)生的塑性區(qū)區(qū)域從樁頂一直延伸到坡腳處，且形成滑動(dòng)面，抗滑樁至坡頂處的土體沒有產(chǎn)生塑性區(qū)。由以上計(jì)算結(jié)果可知不同樁位下，邊坡土體形成的剪應(yīng)變區(qū)域與潛在滑動(dòng)面不同，破壞形式有著較大差別。

圖4 不同樁位的邊坡最大剪應(yīng)變?cè)茍D

圖5 不同樁位抗滑樁的受力特性

圖5為不同樁位下的抗滑樁的受力特性，由圖5可知，樁身的彎矩隨著樁深的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)抗滑樁設(shè)置在靠近邊坡中部時(shí)，產(chǎn)生的剪應(yīng)變區(qū)域最大，滑動(dòng)面范圍最大，抗滑樁樁體的彎矩、剪力和撓度均達(dá)到最大值，此時(shí)抗滑樁所提供的抗滑力較大，坡體內(nèi)部的剪應(yīng)力較分散，未能形成連續(xù)的塑性貫通區(qū)，因此當(dāng)抗滑樁樁位設(shè)置在靠近邊坡中部時(shí)，邊坡穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.2 不同樁長(zhǎng)條件下計(jì)算結(jié)果

研究樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，樁長(zhǎng)分別取L=5m、10m、15m、20m、25m，樁位位于邊坡中部（XF／Lx=0.5），控制其他參數(shù)相同，計(jì)算加固邊坡的穩(wěn)定性，將安全系數(shù)Fs作為定量評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的指標(biāo)，圖6為安全系數(shù)隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律。

圖6 安全系數(shù)隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律

由圖6可知，邊坡的安全系數(shù)隨著樁長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其原因是隨著樁長(zhǎng)增加，錨固深度加大，抗滑樁所能影響的邊坡土體范圍增大，抗滑樁可提供的抗滑力提高，從而使邊坡穩(wěn)定性提升。當(dāng)樁長(zhǎng)小于15m時(shí)，邊坡安全系數(shù)的增大趨勢(shì)較快，15m后，增大趨勢(shì)逐漸趨于平緩，即當(dāng)抗滑樁樁長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度后，樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升能力減弱。因此，在實(shí)際工程中，需要根據(jù)實(shí)際工況來確定最佳樁長(zhǎng)，而非越長(zhǎng)越好，需要兼顧到施工難度以及建設(shè)成本。

圖7所示的分別是樁長(zhǎng)L=5m、10m、15m、20m、25m時(shí)，抗滑樁所受彎矩、剪力和撓度隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律。當(dāng)樁長(zhǎng)L=5m、10m時(shí)，樁體的彎矩、剪力均較小，此時(shí)抗滑樁的加固能力不明顯。當(dāng)樁長(zhǎng)L=15m、20m時(shí)，抗滑樁所受彎矩、剪力和撓度均較大，且增幅明顯，加固能力提升顯著，當(dāng)樁長(zhǎng)L在20m～25m時(shí)，部分樁體所受的彎矩、剪力和撓度幾乎為0，表明在20m～25m這段樁體幾乎沒有受力，即這段樁體對(duì)邊坡加固沒有起到作用，因此在本算例中，樁長(zhǎng)取值15m～20m即可達(dá)到最優(yōu)的加固效果。

圖7 不同樁長(zhǎng)抗滑樁的受力特性

圖8所示的是不同樁長(zhǎng)下抗滑樁設(shè)置在邊坡中心切面處的邊坡的破壞形態(tài)云圖。由圖8可知，當(dāng)樁長(zhǎng)L=5m、10m時(shí)，由于抗滑樁的貫入深度淺，產(chǎn)生的塑性區(qū)域范圍較大，且向樁底坡體內(nèi)部延伸，且抗滑樁有著隨滑動(dòng)土體發(fā)生位移的趨勢(shì)，當(dāng)樁長(zhǎng)L=15m、20m、25m時(shí)，所產(chǎn)生的塑性區(qū)基本相同，抗滑樁靠近坡頂和坡腳兩側(cè)的邊坡土體各形成了一個(gè)塑性區(qū)，但由于抗滑樁的阻隔，未產(chǎn)生連續(xù)的滑動(dòng)面，加固效果顯著提高。

圖8 不同樁長(zhǎng)時(shí)邊坡破壞形態(tài)云圖

4 結(jié)論

本文利用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件，從樁位、樁長(zhǎng)兩種抗滑樁加固參數(shù)出發(fā)，計(jì)算不同抗滑樁加固參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定性，研究了抗滑樁加固邊坡的剪力、位移以及彎矩的變化規(guī)律，對(duì)其周圍邊坡土體的影響，主要結(jié)論如下。

①抗滑樁樁位對(duì)邊坡的穩(wěn)定性、滑動(dòng)面位置都有很大影響。當(dāng)抗滑樁設(shè)置在靠近邊坡中心處時(shí)，加固效果最好，抗滑樁靠近坡頂和坡腳兩側(cè)的邊坡土體均產(chǎn)生了較大的剪應(yīng)變，各形成了一個(gè)塑性區(qū)，且范圍較大，且有向更深處的土體蔓延的趨勢(shì)，但由于抗滑樁的阻隔，未形成連續(xù)的滑動(dòng)面。當(dāng)抗滑樁位于邊坡靠近坡頂和坡腳時(shí)，加固效果則相對(duì)較差。因此，抗滑樁應(yīng)設(shè)置在靠近邊坡中部的位置，這樣可有效保證邊坡穩(wěn)定的同時(shí)節(jié)約成本。

②邊坡的穩(wěn)定性隨著樁長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但當(dāng)抗滑樁樁長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度后，樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的提升能力減弱。當(dāng)樁長(zhǎng)L=15m、20m時(shí)，抗滑樁所受彎矩、剪力和撓度均較大，且增幅明顯，加固效果最優(yōu)，本文中樁長(zhǎng)最適宜的長(zhǎng)度為15m～20m。