抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

賴柳軍

(柳城縣交通運(yùn)輸局，廣西 柳州 545200)

0 引言

抗滑樁作為一種常用的邊坡加固方式，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。朱泳、代凌輝等[1-2]基于強(qiáng)度折減法，采用有限元模擬的方法分析了影響抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的因素，并重點(diǎn)對(duì)抗滑樁的樁身受力、樁身變形進(jìn)行了研究。王振軍、馬志勇[3-4]以抗滑樁加固邊坡為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了影響其作用發(fā)揮的因素，研究表明抗滑樁的位置、樁身長(zhǎng)度及樁身彈性模量等具有重要的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。唐迎春、李海波[5-6]通過(guò)建立土質(zhì)階梯型邊坡抗滑樁計(jì)算模型，分析了抗滑樁位置、樁土力、附加荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并推導(dǎo)得到了抗滑樁加固階梯型邊坡安全系數(shù)的表達(dá)式。曹文軒、王張軍等[7-8]以抗滑樁加固邊坡為研究對(duì)象，采用有限元軟件研究了抗滑樁加固邊坡的效果，重點(diǎn)分析了抗滑樁加固邊坡的位移和安全系數(shù)，結(jié)果可為類似工程中抗滑樁設(shè)計(jì)提供參考。本文主要以某巖質(zhì)邊坡開挖支護(hù)工程為研究對(duì)象，采用ABAQUS軟件建模，重點(diǎn)分析了抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡效果，進(jìn)行參數(shù)影響分析，并對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡效果進(jìn)行了驗(yàn)算，研究結(jié)果可為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡工程提供參考。

1 工程概況

某邊坡地處西南地區(qū)，有擬建道路通過(guò)，需要對(duì)一側(cè)坡體做挖方處置，該地區(qū)巖質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，情況如圖1所示。擬采用抗滑樁錨索支護(hù)方式，錨索與水平面夾角取30°，施加預(yù)應(yīng)力，長(zhǎng)度取24 m，其中錨固段長(zhǎng)10 m，設(shè)計(jì)3排錨桿，每排間距取3.0 m，左右間距取3.5 m，注漿層厚度取130 mm，錨索由4根直徑為15.2 mm的鋼絞線組成?？够瑯冻叽鐬椋洪L(zhǎng)3 m×寬2 m，長(zhǎng)邊和寬邊分別位于側(cè)面和正面。采用C30混凝土現(xiàn)澆施工方式。

圖1 巖質(zhì)邊坡斷面圖

2 數(shù)值建模

圖2所示為巖質(zhì)邊坡計(jì)算模型圖，模型長(zhǎng)、寬、高分別取100 m、20 m、60 m，除模型上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。邊坡采用C8D8網(wǎng)格建立，土體采用摩爾-庫(kù)侖模型，樁體采用彈性模型。下頁(yè)表1為土體的物理力學(xué)參數(shù)，表2為抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)。

圖2 數(shù)值模型圖

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)表

表2 抗滑樁的力學(xué)參數(shù)表

3 抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡分析

為探索影響抗滑樁加固效果的因素，本節(jié)主要分析抗滑樁位置、樁長(zhǎng)以及樁水平間距的影響。

3.1.1 抗滑樁位置影響分析

為了分析抗滑樁不同位置的影響，如圖3所示，共設(shè)置四種不同抗滑樁位置工況，采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行分析。

圖3 抗滑樁四種工況示意圖

如圖4所示，給出了四種工況下抗滑樁加固邊坡水平位移云圖。由圖4可知，抗滑樁不同位置時(shí)邊坡水平位移存在差異，工況三效果最佳，其次是工況二，最差的是工況一。

(a)工況一

(b)工況二

(c)工況三

(d)工況四

為了更加直觀地分析抗滑樁不同位置對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響，測(cè)出不同抗滑樁位置下邊坡最大水平位移監(jiān)測(cè)值如圖5所示。由圖5可知，工況一至工況四對(duì)應(yīng)的邊坡最大水平位移分別為48.31 mm、44.15 mm、38.46 mm、45.23 mm，即抗滑樁位于第三級(jí)邊坡坡腳時(shí)，邊坡的水平位移最小。

圖6所示為巖質(zhì)邊坡不同抗滑樁位置下邊坡安全系數(shù)。由圖6可知，工況一至工況四對(duì)應(yīng)的邊坡安全系數(shù)分別為1.142、1.206、1.273、1.185，這與邊坡位移所反映的規(guī)律一致，即當(dāng)抗滑樁位于第三級(jí)邊坡坡腳時(shí)，邊坡的安全系數(shù)最大，加固效果最好，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)抗滑樁位置來(lái)增加邊坡的穩(wěn)定性。

圖5 不同抗滑樁位置下邊坡最大水平位移曲線圖

圖6 不同抗滑樁位置下邊坡安全系數(shù)曲線圖

3.1.2 抗滑樁樁長(zhǎng)影響分析

圖7所示為邊坡最大水平位移隨抗滑樁樁長(zhǎng)的變化曲線。由圖7可知，隨著抗滑樁樁長(zhǎng)的增加，邊坡最大水平位移逐漸減小，相比于抗滑樁樁長(zhǎng)取12 m時(shí)，抗滑樁樁長(zhǎng)取14 m、16 m、18 m、20 m時(shí)邊坡最大水平位移分別減小了4.4%、8.2%、10.9%、11.9%。

圖7 邊坡最大水平位移隨抗滑樁樁長(zhǎng)變化曲線圖

為了直觀分析抗滑樁樁長(zhǎng)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，圖8繪出了邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁樁長(zhǎng)的變化曲線。由圖8可知，隨著抗滑樁樁長(zhǎng)的增加，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，相比于抗滑樁樁長(zhǎng)取12 m時(shí)，抗滑樁樁長(zhǎng)取14 m、16 m、18 m、20 m時(shí)邊坡安全系數(shù)分別增大了3.3%、6.6%、8.3%、9.1%。

圖8 邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁樁長(zhǎng)變化曲線圖

綜上可知，通過(guò)增加抗滑樁樁長(zhǎng)可以增大邊坡的穩(wěn)定性，但隨著抗滑樁樁長(zhǎng)的持續(xù)增加，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)18m時(shí)，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)使得邊坡安全系數(shù)增幅變得緩慢，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致施工成本增加，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)抗滑樁樁長(zhǎng)。

3.1.3 抗滑樁水平間距影響分析

圖9所示為邊坡最大水平位移隨抗滑樁水平間距的變化曲線。由圖9可知，隨著抗滑樁水平間距的增大，邊坡最大水平位移逐漸增大，相比于抗滑樁水平間距取4 m時(shí)，抗滑樁水平間距取5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)邊坡最大水平位移分別增大了0.6%、1.9%、5.1%、9.1%。

圖9 邊坡最大水平位移隨抗滑樁水平間距變化曲線圖

為了直觀分析抗滑樁水平間距變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，下頁(yè)圖10所示為邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁水平間距的變化曲線。由圖10可知，隨著抗滑樁水平間距的增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，相比于抗滑樁水平間距取4 m時(shí)，抗滑樁水平間距取5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)邊坡安全系數(shù)分別減小了0.4%、1.4%、3.8%、8.0%。

綜上可知，增大抗滑樁水平間距會(huì)導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降，當(dāng)樁間距較小時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨抗滑樁樁間距增大變化不明顯；當(dāng)樁間距>6 m時(shí)，繼續(xù)增大樁間距，邊坡安全系數(shù)迅速降低，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)樁間距，以保證工程的經(jīng)濟(jì)性。

圖10 邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁水平間距變化曲線圖

4 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固效果分析

單一的抗滑樁加固邊坡能力有限，可以采用預(yù)應(yīng)力錨索+抗滑樁的形式加固邊坡。由前文可知，抗滑樁在第三級(jí)邊坡坡腳位置時(shí)，加固效果最佳，本節(jié)即以抗滑樁位于第三級(jí)邊坡坡腳位置、樁長(zhǎng)取18 m、樁間距取6 m為例。采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，錨索和注漿錨固段的力學(xué)參數(shù)如表3所示，錨桿施加預(yù)應(yīng)力500 kN，布設(shè)形式如圖11所示。

表3 錨索和注漿錨固段的力學(xué)參數(shù)表

由圖11可知，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固后邊坡最大安全系數(shù)為1.54，相比于單一抗滑樁加固時(shí)，邊坡安全系數(shù)增大了約21%。由此可知，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固方法效果要優(yōu)于單一抗滑樁加固方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要以某巖質(zhì)邊坡開挖支護(hù)為研究對(duì)象，采用ABAQUS建模，重點(diǎn)分析了抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡效果并進(jìn)行參數(shù)影響分析，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固巖質(zhì)邊坡效果進(jìn)行了驗(yàn)算，得到以下結(jié)論：

(1)抗滑樁位于第三級(jí)邊坡坡腳時(shí)，邊坡的安全系數(shù)最大，加固效果最好，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)抗滑樁位置來(lái)增加邊坡的穩(wěn)定性。

(2)通過(guò)增加抗滑樁樁長(zhǎng)可以增大邊坡的穩(wěn)定性，但隨著抗滑樁樁長(zhǎng)的持續(xù)增加，當(dāng)樁長(zhǎng)>18 m時(shí)，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)使得邊坡安全系數(shù)增幅變得緩慢，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致施工成本增加，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)抗滑樁樁長(zhǎng)。

(3)增大抗滑樁水平間距會(huì)導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降，當(dāng)樁間距較小時(shí)，邊坡穩(wěn)定性隨抗滑樁樁間距增大變化不明顯；當(dāng)樁間距>6 m時(shí)，繼續(xù)增大樁間距，邊坡安全系數(shù)迅速降低，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理設(shè)計(jì)樁間距，以保證工程的經(jīng)濟(jì)性。

(4)采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固后邊坡最大安全系數(shù)為1.54，相比于單一抗滑樁加固時(shí)，邊坡安全系數(shù)增大了約21%，即采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固方法效果要優(yōu)于單一抗滑樁加固方法。