基于數(shù)值模擬方法的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡分析

■柴軍鋒

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，太原 030006）

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁作為一種實用有效的邊坡支護(hù)方式，在加固邊坡工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。李寧寧[4]以某工程為研究對象，采用有限元軟件對預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡進(jìn)行數(shù)值計算，并將數(shù)值模擬結(jié)果與理正巖土軟件計算的結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了數(shù)值模型的正確性。 李曉林[5]采用ABAQUS分析軟件，對某邊坡工程采用錨索抗滑樁支護(hù)方法進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對樁位、樁長、錨索長度、預(yù)應(yīng)力大小進(jìn)行了模擬分析，從而確定了最佳的加固方案。 張衛(wèi)雄等[6]以某邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)為研究對象，基于極限平衡理論，通過假設(shè)邊坡滑動面為圓弧面，推導(dǎo)得到了邊坡最危險滑移面搜索模型和邊坡穩(wěn)定性計算公式。 本文以某邊坡加固設(shè)計為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法對原設(shè)計方案進(jìn)行效果評定， 根據(jù)原設(shè)計的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化設(shè)計后的邊坡技術(shù)狀況進(jìn)行評定，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

某邊坡工程，原設(shè)計采用預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合單排抗滑樁加固邊坡的方法，如圖1 所示，邊坡土層從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。 已知邊坡高21.4 m，邊坡縱向長度為8.1 m，抗滑樁長度為20 m，其中懸臂端和錨固段長度分別為8 m 和12 m， 抗滑樁水平間距取3.0 m，抗滑樁截面尺寸為1.6 m×1.2 m。錨索長度為24 m，其中自由段和錨固段長度分別為11 m 和13 m。

圖1 原設(shè)計抗滑樁及錨索示意圖

2 數(shù)值分析模型建立

該工程原設(shè)計采用有限元軟件MIDAS/GTS 建立數(shù)值模型 （圖2）。 邊坡整體長、 寬和高分別為50 m、13.2 m 和40 m。 抗滑樁長度為20 m，其中懸臂端長度為8 m， 相鄰抗滑樁水平間距取3.0 m，抗滑樁截面為方形， 尺寸為1.6 m×1.2 m， 其中長邊1.6 m 垂直于坡面。 錨索長度為24 m， 施作在樁頂位置， 其中自由段和錨固段長度分別為11 m 和13 m， 錨索與水平面夾角為25 °， 施加預(yù)應(yīng)力180 kN。土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1，抗滑樁和錨索力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 原設(shè)計數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 抗滑樁和錨索力學(xué)參數(shù)

由于該工程所在地區(qū)經(jīng)常受強(qiáng)降雨的影響，根據(jù)工程當(dāng)?shù)氐臍v史強(qiáng)降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用公式（1）計算降雨量：

式中：q 為降雨量；P 為重現(xiàn)期；t 為降雨歷時。

由上式可計算得出，該地區(qū)10 年重現(xiàn)期內(nèi)24 h的降雨量為152.3 mm。 本文采用MIDAS/GTS 軟件滲流分析模塊，設(shè)置降雨強(qiáng)度為150 mm/d，降雨加載時長為1 h，為均勻降雨。

3 原設(shè)計邊坡加固方案數(shù)值模擬分析

對原設(shè)計邊坡加固方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，主要分析邊坡在天然工況和強(qiáng)降雨工況下的穩(wěn)定性。由圖3 可知， 在天然工況下， 最大水平位移值為17.10 mm，最大水平位移出現(xiàn)在抗滑樁上部6 m 左右的坡面上；在強(qiáng)降雨工況下，最大水平位移值為25.10 mm，最大水平位移出現(xiàn)在抗滑樁頂部。 綜上可知，強(qiáng)降雨工況下的邊坡最大水平位移比天然工況下增大了46.8%，強(qiáng)降雨導(dǎo)致邊坡最大水平位移發(fā)生位置下移。

圖3 不同工況下的邊坡水平位移云圖

由圖4 可知，在天然工況下，最大豎向位移值為28.20 mm，最大豎向位移出現(xiàn)在坡頂附近；在強(qiáng)降雨工況下，最大豎向位移值為32.43 mm，最大豎向位移出現(xiàn)位置不變。 綜上可知，強(qiáng)降雨工況下的邊坡最大豎向位移比天然工況下增大了15.0%，邊坡最大豎向位移均出現(xiàn)在坡頂附近。

圖4 不同工況下的邊坡豎向位移云圖

抗滑樁的位移主要以水平位移為主，如圖5所示，在天然工況下，抗滑樁最大水平位移值為4.43 mm；在強(qiáng)降雨工況下，抗滑樁最大水平位移值為21.32 mm，抗滑樁水平位移從樁頂?shù)綐俄斠来螠p小。 綜上可知，抗滑樁樁頂水平位移最大，樁底水平位移最小，強(qiáng)降雨工況下的抗滑樁最大水平位移比天然工況下增大了3.81 倍。

圖5 不同工況下的邊坡抗滑樁水平位移

根據(jù)原設(shè)計邊坡加固方案在天然工況和強(qiáng)降雨工況下的邊坡安全系數(shù)和位移對比監(jiān)測數(shù)據(jù)（表3），結(jié)合圖3～5 可知，強(qiáng)降雨對邊坡穩(wěn)定性具有較大的影響，強(qiáng)降雨工況下的邊坡安全系數(shù)比天然工況下減小了14.8%。 根據(jù)GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，一級邊坡在天然工況和強(qiáng)降雨工況下的邊坡安全系數(shù)應(yīng)不小于1.35 和1.05， 因此，原設(shè)計邊坡加固方案不滿足規(guī)范要求，尤其是在強(qiáng)降雨工況下邊坡處于欠穩(wěn)狀態(tài)，存在滑塌風(fēng)險。

表3 不同工況下的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4 原邊坡加固設(shè)計方案優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果， 原始坡身縱向長度為8.1 m，坡率約為1∶1，仍存在安全隱患，需要對原設(shè)計邊坡加固方案進(jìn)行優(yōu)化。 首先對雜填土和粉質(zhì)黏土層邊坡進(jìn)行放坡處理，坡率取1∶3，之后在粉質(zhì)黏土坡腳處設(shè)置后排樁，并設(shè)置排水溝，雙排樁間距為3 m，為了減小雙排樁之間的相互影響，采用交錯布置形式，如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計后抗滑樁及錨索示意圖

對優(yōu)化后的設(shè)計方案重新建模（圖7），除新增的后排抗滑樁和對應(yīng)錨索之外，其余不變。 新增后排抗滑樁長度為12 m，其中懸臂端長度為1.8 m，相鄰抗滑樁水平間距取3.0 m，抗滑樁截面為正方形，尺寸為1.0 m×1.0 m。錨索長度為22 m，施作在樁頂位置， 其中自由段和錨固段長度分別為12 m和10 m，錨索與水平面夾角為25°，施加預(yù)應(yīng)力120 kN。

圖7 優(yōu)化后數(shù)值模型圖

由圖8 可知，優(yōu)化后的前排樁水平位移明顯減小。 優(yōu)化前的前排抗滑樁最大水平位移發(fā)生在樁頂，最大值為4.43 mm；優(yōu)化后的前排抗滑樁最大水平位移發(fā)生在樁頂以下2 m 左右處，最大值為0.83 mm。 即增加后排抗滑樁后，前排抗滑樁最大水平位移減小了81.3%。

圖8 天然工況下優(yōu)化設(shè)計前后前排樁水平位移對比曲線

由表3 可知，在天然工況下，優(yōu)化設(shè)計后的邊坡安全系數(shù)增大了13.9%， 邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了76.0%、47.6%和81.3%，后排抗滑樁最大水平位移值為1.02 mm。 根據(jù)GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，優(yōu)化設(shè)計后的邊坡安全系數(shù)大于1.35，滿足規(guī)范要求。

表3 優(yōu)化設(shè)計前后天然工況下的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

由表4 可知，在強(qiáng)降雨工況下，優(yōu)化設(shè)計后的邊坡安全系數(shù)增大了21.2%， 邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了82.9%、53.9%和93.5%， 前排抗滑樁最大水平位移降低明顯，后排抗滑樁最大水平位移值為1.43 mm。 根據(jù)GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，優(yōu)化設(shè)計后的邊坡安全系數(shù)大于1.26，滿足規(guī)范要求。

表4 優(yōu)化設(shè)計前后強(qiáng)降雨工況下的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

以某邊坡加固設(shè)計為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法對原設(shè)計方案進(jìn)行了效果評定，根據(jù)原設(shè)計的不足進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化設(shè)計后的邊坡技術(shù)狀況進(jìn)行了評定，得到以下結(jié)論：

（1）原設(shè)計邊坡加固方案在天然工況和強(qiáng)降雨工況下的邊坡安全系數(shù)分別為1.22 和1.04，不能滿足規(guī)范要求。 尤其是在強(qiáng)降雨工況下邊坡位移和抗滑樁位移明顯增大，邊坡處于欠穩(wěn)狀態(tài)，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（2）采用增加后排抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計后，天然工況下邊坡安全系數(shù)增大了13.9%， 邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了76.0%、47.6%和81.3%，滿足規(guī)范要求。

（3）采用增加后排抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計后，強(qiáng)降雨工況下的邊坡安全系數(shù)增大了21.2%，邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了82.9%、53.9%和93.5%， 滿足規(guī)范要求。