抗滑樁在岸坡滑坡治理中的受力特征研究

李滿水

（江西科信水利工程勘測設(shè)計(jì)有限公司，江西 上饒 334000）

抗滑樁是滑坡治理的主要支擋結(jié)構(gòu)，已在邊坡治理中得到了廣泛應(yīng)用[1]。對于庫岸邊坡，在水的侵蝕作用下，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)弱化，邊坡穩(wěn)定性極大降低[2-5]。庫岸消落區(qū)環(huán)境整治工作中經(jīng)常會對不穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行加固處理，而抗滑樁-土層錨桿-護(hù)腳墻是一種常用的邊坡加固措施，抗滑樁受力及變形特征決定著其加固效果?；陂L江某庫岸邊坡加固工程，采用有限元計(jì)算模型模擬研究高/低水位工況和高水位降至低水位工況下邊坡的穩(wěn)定性情況和抗滑樁的受力及變形特征，明晰不同工況下邊坡的潛在破壞面。研究成果可為類似工況下邊坡的穩(wěn)定性研究及其加固處理提供參考。

1 工程概況

該邊坡為長江庫岸邊坡，由于坡體多為土質(zhì)和土巖混合邊坡，其抗沖蝕能力差，且受水的侵蝕影響大，加之在長江庫區(qū)水位漲落變化影響下，邊坡整體穩(wěn)定性較差。前期采用搜索滑面法和推測滑面法分別計(jì)算了邊坡在不同水位工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果詳見表1。由表1 可以看出，無論是高/低水位工況（工況1 和工況2）還是高水位驟降至低水位工況（工況3 和工況4），邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均較小，無法滿足規(guī)范要求，需要對其進(jìn)行加固處理。采用的治理方案為抗滑樁+土層錨桿+護(hù)腳墻，具體為：在175 m 處設(shè)5 m的平臺，該平臺即為抗滑樁頂部，175.0～185.0 m采用“土層錨桿+噴植被混凝土+立體生態(tài)防護(hù)網(wǎng)”支護(hù)，150 m 以下采用錨桿格構(gòu)加固，底部采用漿砌石護(hù)腳。

表1 不同水位工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)邊坡地勘資料與治理設(shè)計(jì)圖紙，采用Midas-GTS NX 建立該斷面的有限元計(jì)算模型，網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格劃分。對模型底部約束X、Y 兩個(gè)方向的位移，對模型左、右兩側(cè)約束X方向位移。根據(jù)不同工況的水位情況賦予巖土體材料不同的參數(shù)，水位線上采用天然容重、天然黏聚力和天然內(nèi)摩擦角，水位線下采用浮容重、飽和黏聚力和飽和內(nèi)摩擦角，具體參數(shù)詳見表2。網(wǎng)格劃分時(shí)將基巖邊界尺寸控制在4～5 m，而關(guān)鍵區(qū)域（覆蓋土層）的網(wǎng)格尺寸控制在1～2 m。該庫岸邊坡的計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖1 所示。抗滑樁采用1D 線單元進(jìn)行模擬，容重為25 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為30 GPa?？够瑯吨睆饺?.5 m，樁間距取6 m?？够瑯秵卧捎弥踩胧搅簡卧幚?。

圖1 有限元數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

表2 邊坡巖土體和結(jié)構(gòu)單元計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水位工況下支護(hù)后邊坡的滑動趨勢分析

邊坡進(jìn)行“抗滑樁+土層錨桿+護(hù)腳墻”加固后，提取出不同水位工況下邊坡變形位移分布圖。不同工況下邊坡的最大剪應(yīng)變云圖和水平位移云圖分別如圖2—3 所示。不同工況下邊坡水平位移均主要集中在邊坡上部和中部。對175 m 高水位工況，最大剪應(yīng)力帶分布在邊坡中部和上部，且上部的最大剪應(yīng)力稍大于邊坡中部，但邊坡最大水平位移發(fā)生在抗滑樁頂部，達(dá)到0.14 m，表明175 m 高水位工況下邊坡潛在破壞面將發(fā)生在邊坡中部。其主要原因是高水位時(shí)庫水會滲入大部分坡體，從而對坡體產(chǎn)生浮托作用，降低坡體的抗滑能力[6]。145 m 低水位、175 m 降至145 m 水位、162 m 降至145 m 水位工況，最大剪應(yīng)力主要分布在邊坡上部；但邊坡水平位移主要集中在邊坡上部和中部抗滑樁頂部位置，最大水平位移為0.07 m 左右，表明145 m 低水位工況和高水位降至低水位工況時(shí)邊坡潛在破壞面將發(fā)生在邊坡上部和中部。其主要原因是庫水位降低削弱了水對坡體的浮托作用。綜合來看，175 m 高水位工況下邊坡最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖2 不同工況下邊坡最大剪應(yīng)變云圖

圖3 不同工況下邊坡水平位移云圖

3.2 不同水位工況下抗滑樁變形內(nèi)力分析

抗滑樁受力及形變情況是分析邊坡治理中抗滑樁性能的基礎(chǔ)，是評價(jià)抗滑樁加固效果的關(guān)鍵。不同水位工況下抗滑樁變形（水平位移）及內(nèi)力（軸力、剪力、彎矩）隨樁長的分布規(guī)律如圖4所示?？够瑯缎∮?4 m 樁長的部分幾乎無變形，即水平位移為零；而當(dāng)抗滑樁樁長超過14 m 時(shí)，其水平位移隨樁長幾乎呈線性增加，且增加速率從大到小分別為：175 m 水位工況（工況1）、175 m 降至145 m 水位工況（工況3）、162 m 降至145 m 水位工況（工況4）、145 m 水位工況（工況2），其最大水平位移分別為14.2、7.8、7.1 和5.9 mm。其主要原因是抗滑樁樁長超過14 m 部分位于潛在滑體內(nèi)，坡體變形等將通過推力傳遞給抗滑樁，從而導(dǎo)致坡體變形程度越高，抗滑樁受力變形也越高。

圖4 不同工況下抗滑樁受力變形分布曲線（從左到右依次為水平位移、軸力、剪力和彎矩）

4 種水位工況下，抗滑樁軸力和剪力隨樁長的分布規(guī)律總體上一致，但175 m 高水位工況與其他3種工況有一定的差異，如175 m 高水位工況下抗滑樁軸力在約10 m 樁長處會出現(xiàn)拉力，而其他3 種工況均為壓力。此外，175 m 水位工況下抗滑樁的最大剪力最大，約為11 040 kN，出現(xiàn)在約10 m 樁長處。4 種工況下抗滑樁彎矩分布形式也基本一致，但175 m 高水位工況下抗滑樁彎矩明顯大于其他3種工況，最大彎矩從大到小為：175 m水位工況、175 m降至145 m 水位工況、162 m 降至145 m 水位工況、145 m 水位工況，最大彎矩為55 920 kN·m。綜合考慮抗滑樁的水平位移及內(nèi)力大小，可以看出抗滑樁在175 m 高水位工況時(shí)受載最大，表明此工況下邊坡的穩(wěn)定性最差，與3.1節(jié)中結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文根據(jù)長江某庫岸邊坡治理工程，針對其采用的“抗滑樁+土層錨桿+護(hù)腳墻”邊坡綜合加固方案，采用數(shù)值模擬研究了不同水位工況下加固后邊坡的穩(wěn)定性，分析了抗滑樁的受力變形特征，得出以下主要結(jié)論。

（1）基于GTS NX 有限元計(jì)算軟件，建立了含“抗滑樁+土層錨桿+護(hù)腳墻”加固措施的邊坡穩(wěn)定性三維計(jì)算模型。

（2）175 m 高水位工況時(shí)坡體受庫水浮托作用影響最大，邊坡水平位移最大達(dá)0.14 m、穩(wěn)定性最差，其潛在破壞面將發(fā)生在邊坡中部；145 m 低水位或高水位降至低水位工況時(shí)，浮托作用對坡體影響減小，邊坡最大剪應(yīng)變和水平位移均減小，且主要集中在上部和中部，其潛在破壞面將發(fā)生在邊坡上部和中部。

（3）抗滑樁受邊坡變形影響，超過14 m 樁長部分的水平位移隨樁長幾乎呈線性增加，且175 m高水位工況增長速率最大，抗滑樁最大水平位移為14.2 mm；抗滑樁軸力、剪力和彎矩在不同水位工況下隨樁長的分布規(guī)律總體上一致，但175 m高水位工況抗滑樁剪力和彎矩最大，達(dá)11 040 kN 和55 920 kN·m，且10 m 樁長處會出現(xiàn)拉力?？够瑯妒芰白冃翁卣髡f明抗滑樁在175 m高水位工況時(shí)受載最大。