公路高邊坡抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周 浪，何鐘千

(1.九江市公路發(fā)展中心廬山分中心，江西 九江 332900；2.九江市柴桑區(qū)交通運(yùn)輸局，江西 九江 332100)

1 抗滑樁優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

在實(shí)地勘察過后，選取某高邊坡出現(xiàn)有較大裂縫且坡度較大，發(fā)生邊坡失穩(wěn)的可能性很大，所以對(duì)該高邊坡進(jìn)行治理，本試驗(yàn)采取在邊坡底部邊沿加固16根由C30鋼筋混凝土組成的抗滑樁作為治理方案，在“樁-土”系統(tǒng)中進(jìn)行模擬，相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)見表1。

表1 “樁—土”相關(guān)參數(shù)表

2 抗滑樁的影響參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 樁位優(yōu)化分析

該邊坡的潛在滑面處于中風(fēng)化巖層和全風(fēng)化巖層的不整合接觸面上，垂直方向上邊坡臨空面和潛在的滑動(dòng)面的最大距離約18.5 m，現(xiàn)在要在該邊坡選四個(gè)樁位，分別用①表示在跛腳位置的樁，②表示在二級(jí)邊坡上部位置的樁，③表示在四級(jí)邊坡上部位置的樁，④表示坡頂位置的樁，進(jìn)行ABAQUS模擬試驗(yàn)，不同樁位的計(jì)算結(jié)果見表2所示。

由表2分析可知，加固后邊坡的水平位移和最大垂直位移都變小了，主要原因是加固在坡頂、四級(jí)邊坡上部、二級(jí)邊坡上部、坡腳這四個(gè)位置的抗滑樁起作用了，其中當(dāng)樁位處于坡腳(①號(hào)位)和坡頂(④號(hào)位)時(shí)，滑動(dòng)面幾乎沒有發(fā)生移動(dòng)，也就是說明這兩個(gè)位置的抗滑樁沒有起到保護(hù)效果；當(dāng)樁位處于四級(jí)邊坡上部(③號(hào)位)時(shí)，邊坡位移減小量最大，此時(shí)樁對(duì)邊坡的加固作用最明顯，支護(hù)效果最好。這四個(gè)位置樁位對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果從大到小分別為：四級(jí)邊坡上部(③號(hào)位)>二級(jí)邊坡上部(②)>坡腳(①號(hào)位)=坡頂(④號(hào)位)。

表2 “樁—土”評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算值

圖1 Fs隨樁位的變化曲線

由圖1可知，從穩(wěn)定系數(shù)(Fs)角度分析，從坡腳(①號(hào)位)到坡頂(④號(hào)位)對(duì)應(yīng)的Fs值從1.215→1.260→1.310→1.112變化，所以樁位處于四級(jí)邊坡上部(③號(hào)位)為最佳樁位。

2.2 樁長優(yōu)化分析

結(jié)合2.1分析得出的結(jié)果，選擇四級(jí)邊坡上部(③號(hào)位)的基礎(chǔ)上設(shè)置了七組不同的樁長進(jìn)行優(yōu)化分別為：31 m、32 m、33 m、34 m、35 m、36 m、37 m，其他樁的參數(shù)不變，通過采用ABAQUS對(duì)不同樁長下對(duì)應(yīng)的樁位移、穩(wěn)定系數(shù)Fs、邊坡的位移等，通過數(shù)據(jù)計(jì)算分析ABAQUS的計(jì)算結(jié)果見表3、圖2所示。

表3 “樁—土”評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算值

結(jié)合表3可知，樁長的減小，反而會(huì)導(dǎo)致邊坡的最大水平和豎直位移增加，即說明增加樁長能提高邊坡的抗滑性，間接可以說明最優(yōu)的樁長是34 m。

圖2 穩(wěn)定系數(shù)隨樁長的變化曲線

由圖2可以看出，從穩(wěn)定系數(shù)()角度分析，和樁長存在正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)樁長達(dá)到35 m時(shí)，F(xiàn)S值趨于穩(wěn)定，由此可知，樁長36 m是個(gè)拐點(diǎn)，且樁長在31～35 m區(qū)間邊坡的穩(wěn)定性會(huì)隨著樁長的增加而增加；但是其變化的長度對(duì)提高加固效果并不明顯，因此可以判斷最佳樁長為36 m。

結(jié)合位移和樁長的變化關(guān)系分析，判斷最佳樁長為34 m，有穩(wěn)定系數(shù)和樁長的變化關(guān)系可知最佳樁長為36 m，綜上所述，從工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，樁長35 m為最優(yōu)樁。

2.3 樁間距優(yōu)化分析

由2.1和2.2這兩節(jié)分析可知，該邊坡最佳樁長為34 m，最佳位置處于四級(jí)邊坡上部(③號(hào)位)。現(xiàn)將在最佳樁長和樁位的情況下對(duì)樁間距進(jìn)行ABAQUS試驗(yàn)?zāi)M分析，設(shè)置五組樁間距分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，其他樁的因素不變。將不同樁間距下的穩(wěn)定系數(shù)、樁位移、邊坡位移等進(jìn)行比較分析，進(jìn)而得出最佳的樁間距。最終模擬試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖3所示。

表4 “樁—土”評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算值

結(jié)合表4分析可知，隨著樁間距的增加邊坡的U1、和U2也跟著增加，也就是說明抗滑樁的加固效果會(huì)隨著樁間距的增加而減弱，由此可初步判斷，最優(yōu)的樁間距為4 m。

圖3 穩(wěn)定系數(shù)隨樁間距的變化曲線

由圖3可以看出，樁間距從4～8 m時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)減少量變大，即隨著樁間距的增大，安全系數(shù)Fs在減少，當(dāng)8 m之后，隨著樁間距的變化安全系數(shù)Fs值變化不明顯，趨于穩(wěn)定。所以，可以認(rèn)為最佳的樁間距為4 m。

2.4 樁橫截面優(yōu)化分析分析

從2.1、2.2、2.3這三個(gè)章節(jié)得到抗滑樁的最佳位置，最佳樁長和最佳樁間距，以此為前提，采用方樁對(duì)樁的橫截面面積進(jìn)行試驗(yàn)分析，設(shè)置五組方樁規(guī)格分別為：1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.5 m×2.5 m、3.5 m×3.5 m、4.5 m×4.5 m，然后按照單一變量的試驗(yàn)原則，采用ABAQUS軟件分析得出不同樁橫截面長度對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)、樁位移、邊坡位移等，通過數(shù)據(jù)比價(jià)分析選出最佳的樁橫截面規(guī)格。最終通過ABAQUS模擬得出的結(jié)果見表5和圖4,圖5所示。

表5 “樁-土”評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算值

從表5可以看出，當(dāng)樁截面從1.0 m×1.0 m增加到4.5 m×4.5 m的過程中，邊坡的U1、和U2隨著樁截面面積的增大而逐漸減小，說明樁的橫截面面積增加能提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖4 樁位移隨樁截面邊長的變化曲線

從圖4可以看出，抗滑樁的U2整個(gè)過程都變化很小，而U1的值卻隨著樁橫截面面積的增大而減小，抗滑樁的U1值變化的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)樁的橫截面是大于2.5 m×2.5 m時(shí)，所以初步認(rèn)為最優(yōu)樁的橫截面面積為2.5 m×2.5 m的正方形樁。

圖5 穩(wěn)定系數(shù)隨樁面積的變化曲線

由圖5可以看出，樁截面面積的增大引起穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)應(yīng)的增加，進(jìn)而可認(rèn)為抗滑樁截面積增大，可以提高加固效果。當(dāng)樁截面為2.5 m×2.5 m和3.5 m×3.5 m時(shí)，均能滿足邊坡的穩(wěn)定性要求，結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性和邊坡的位移，最終判斷最佳的樁截面為2.5 m×2.5 m。

3 結(jié) 論

主要為研究公路高邊坡抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元分析軟件ABAQUS并結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)對(duì)抗滑樁的影響參數(shù)及位移的變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，提出最優(yōu)的抗滑樁設(shè)計(jì)方案，研究結(jié)果表明：樁位、樁長、樁間距、樁橫截面等因素都會(huì)對(duì)抗滑樁方案產(chǎn)生明顯的影響。