樁基布置位置選擇對(duì)邊坡加固效果的影響研究

王 晨，武蘭蕊，劉 松

（徐州市銅山區(qū)水利工程建設(shè)中心,江蘇 徐州 221000）

1 前言

為了使邊坡更加區(qū)域穩(wěn)定,使經(jīng)過加固的邊坡更加安全,在采取加固措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固時(shí)常常用到有著良好加固作用的樁基進(jìn)行加固,而在進(jìn)行樁基加固時(shí),樁基加固位置的選擇,對(duì)實(shí)現(xiàn)其合理而又理想的加固效果十分關(guān)鍵。許勝才等[1-2]對(duì)水泥土樁形式的加固方式的相應(yīng)對(duì)軟土土質(zhì)邊坡的加固效果進(jìn)行了有限元分析研究,指出該類樁加固模式的變形特征,提出了更為合理的加固形式,最后采用模型試驗(yàn)對(duì)其所提出的加固形式進(jìn)行了可靠驗(yàn)證。彭文哲等[3-4]應(yīng)用有限元類型的極限方法分析數(shù)值模擬軟件OptumG2,分別構(gòu)建了抗滑樁加固前后的邊坡模型,分析研究了抗滑樁提高邊坡穩(wěn)定性的作用,并對(duì)樁的位置和打入深度進(jìn)行了合理分析,確定了相應(yīng)的各自最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,對(duì)比分析了軟件OptumG2中的重力乘數(shù)與強(qiáng)度折減法的模擬結(jié)果,探討了邊坡地形地貌和邊坡材料對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響,得出一些十分有意義的結(jié)論,為后續(xù)邊坡加固形式的選擇和相應(yīng)加固效果的研究提供了參考。陳行等[5-6]認(rèn)識(shí)到前人對(duì)弧形結(jié)構(gòu)在壓應(yīng)力較大情況下的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn),依托一景區(qū)的實(shí)際邊坡工程,分析了曲率不同條件下以弧形結(jié)構(gòu)排布時(shí)抗滑樁對(duì)邊坡加固的效果,特別是地震作用下邊坡的動(dòng)力響應(yīng)和穩(wěn)定性特征。結(jié)果說明弧形結(jié)構(gòu)排布的抗滑樁能夠有效減少邊坡在地震作用下出現(xiàn)破壞的可能性。羅偉等[7-8]為了解決現(xiàn)有極限平衡方法在分析處理非線性抗滑樁對(duì)邊坡加固效果上呈現(xiàn)出的缺陷,應(yīng)用土力學(xué)中的土壓力理論將抗滑樁與邊坡滑體之間的相互作用力計(jì)算加以簡化,并通過平衡解析獲取了樁側(cè)的有效壓力,最后,基于經(jīng)典的瑞典條分法,計(jì)算出滑面的應(yīng)力,從而建立了非線性抗滑樁的邊坡穩(wěn)定性研究方案。黃俊等[9-10]為了分析抗滑樁加固邊坡時(shí)存在的加固效果不確定性,通過采用可靠度方法對(duì)該類不確定性進(jìn)行了定量研究,并分析了不同抗滑樁樁位條件下,臨界滑動(dòng)面呈現(xiàn)的位置特點(diǎn),成功開發(fā)了便于應(yīng)用的可靠度分析程序,并在有限差分軟件FLAC3D 中進(jìn)行了算例驗(yàn)證。郭震山等[11]在FLAC3D 中成功實(shí)現(xiàn)了邊坡非飽和滲流的模擬,其主要通過FISH 語言進(jìn)行編程,將相應(yīng)的不飽和土體效應(yīng)加入到程序的運(yùn)行計(jì)算中,進(jìn)而結(jié)合雙應(yīng)力Fredlund 強(qiáng)度折減法分析了非飽和邊坡的穩(wěn)定性,并對(duì)一抗滑樁加固邊坡的算例進(jìn)行了分析。

在采用樁基加固形式對(duì)邊坡工程進(jìn)行加固處理時(shí),設(shè)計(jì)師往往十分苦惱于樁基位置的選擇,為此,本文對(duì)實(shí)體工程邊坡進(jìn)行數(shù)值分析,主要研究兩種不同樁基位置條件下,標(biāo)示邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)的變化。數(shù)值計(jì)算主要采用Geo-studio軟件進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果通過通過自帶的圖形輸出工程導(dǎo)出進(jìn)行分析,建模時(shí),通過劃分區(qū)域設(shè)置不同的材料分布范圍,水位采用水壓線設(shè)置。

2 工程地質(zhì)

該實(shí)體工程邊坡位于江蘇省內(nèi),邊坡剖面示意圖見圖1,邊坡巖土體主要有兩層材料組成,下層屬于燕山第五期侵入型花崗巖基,上層是相應(yīng)的花崗巖的風(fēng)化殘留土層,表1概括了各層巖土體材料的對(duì)應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)。

3 Geo-studio 簡介

Geo-studio 軟件無論是在邊坡建模還是后續(xù)的求解計(jì)算方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢,其便捷化的建模方式,及專門設(shè)計(jì)用于邊坡穩(wěn)定計(jì)算的固有特性,都使得該軟件在邊坡工程中的應(yīng)用越來越普遍,這主要由于其計(jì)算精度高,成本低廉。正因如此,本文采用該計(jì)算軟件進(jìn)行樁基加固邊坡的效果分析研究。

4 構(gòu)建實(shí)體工程模型

根據(jù)本文前述圖1中的真實(shí)邊坡模型,在Geo-studio 軟件的slope 模塊中構(gòu)建與之一致的用于數(shù)值分析計(jì)算的工程邊坡模型,其中邊坡材料將通過構(gòu)建巖土體輪廓進(jìn)行賦予,材料特征通過輸入相應(yīng)的材料力學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,樁基的設(shè)置采用加固荷載的方式,最后,構(gòu)建的用于計(jì)算的兩個(gè)不同樁基位置的數(shù)值模型見圖2。

圖2 兩排樁樁基位于邊坡上部和下部

5 數(shù)值模擬結(jié)果

本節(jié)分析比較了兩種不同位置設(shè)置時(shí),樁基對(duì)邊坡的加固效果,為此,計(jì)算完成后獲得的邊坡安全系數(shù)及臨界滑面位置圖,用于分析邊坡的穩(wěn)定性,此外,土條間法向力隨著X的位移變化用于分析滑體中力的分布。

（1）樁基位于邊坡上部時(shí)

當(dāng)采用兩排樁基對(duì)邊坡進(jìn)行加固且樁基位于上部位置時(shí),計(jì)算結(jié)果見圖4,圖中包含有臨界滑面位置,計(jì)算過程中的土條劃分個(gè)數(shù),計(jì)算后獲得的邊坡安全系數(shù),抗滑樁布置位置（兩根黑色豎線）,邊坡中的水位面位置（下部藍(lán)色線）,由圖可知,當(dāng)采用兩排樁基并將兩排樁基布置于邊坡相對(duì)上方部位時(shí),深打進(jìn)基巖的抗滑樁對(duì)邊坡的加固效果有限,因計(jì)算后的邊坡的安全系數(shù)為0.999,該計(jì)算結(jié)果值小于1,說明在此種形式的加固下,邊坡不能穩(wěn)定,將發(fā)生失穩(wěn),僅就樁基布置位置來說,目前樁基位置需要調(diào)整才能夠?qū)崿F(xiàn)期望的加固效果。

圖3 樁基位于邊坡上部時(shí)的計(jì)算結(jié)果

圖4 樁基位于邊坡上部時(shí)條間法向力隨x 的變化

如圖5所示是兩排樁基加固且樁基位于邊坡上部的加固方式時(shí)的土條間法向力隨著X 位移增大的變化規(guī)律,由圖可見,由邊坡最上部開始,條間法向力先增大后減小,圖中有兩個(gè)突變值,對(duì)應(yīng)的X 坐標(biāo),正是抗滑樁的布置位置。

圖5 樁基位于邊坡下部時(shí)的計(jì)算結(jié)果

（2）樁基位于邊坡下部時(shí)

如圖6所示是當(dāng)采用兩排樁基對(duì)邊坡進(jìn)行加固且樁基位于下部位置的計(jì)算結(jié)果圖,圖中包含有臨界滑面位置,計(jì)算過程中的土條劃分個(gè)數(shù),計(jì)算后獲得的邊坡安全系數(shù),由圖可知,當(dāng)采用兩排樁基并將兩排樁基布置于邊坡相對(duì)下方部位時(shí),深打進(jìn)基巖的抗滑樁對(duì)邊坡的加固效果明顯提升,計(jì)算后的邊坡的安全系數(shù)為1.583,該計(jì)算結(jié)果值遠(yuǎn)大于1,說明在此種形式的加固下,邊坡能夠穩(wěn)定。

圖6 樁基位于邊坡下部時(shí)條間法向力隨x 的變化

由圖7所示,兩排樁基加固且樁基位于邊坡下部的加固方式時(shí)的土條間法向力隨著X 位移增大的變化規(guī)律,由圖可見,由邊坡最上部開始,條間法向力先增大后減小,圖中有兩個(gè)突變值,對(duì)應(yīng)的X 坐標(biāo),正是抗滑樁的布置位置?？梢?其變化過程與采用兩排樁基加固且樁基位于邊坡上部的加固方式時(shí)類似。

6 結(jié)論

（1）該工程實(shí)體邊坡在采用兩排樁基加固且樁基位于邊坡上部的加固方式時(shí),加固效果有限,計(jì)算所得安全系數(shù)為0.999,邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（2）該道路工程實(shí)體邊坡在采用兩排樁基加固且樁基位于邊坡下部的加固方式時(shí),加固效果明顯,計(jì)算所得安全系數(shù)為1.583,邊坡將保持穩(wěn)定存在。

（3）當(dāng)采用兩排樁基加固邊坡,無論樁基布置在邊坡靠近上方部位還是靠近下方部位,土條間法向力隨著X 位移的變化均呈現(xiàn)處先增大后減小的趨勢,在抗滑樁的布置位置處有突變,說明抗滑樁發(fā)揮了作用。