抗滑樁支護公路邊坡影響因素及作用機理研究

摘要：文章以某公路邊坡抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)工程為依托，利用商業(yè)軟件FLAC3D建立三維數(shù)值分析模型，分析抗滑樁支護公路邊坡的影響因素及不同情況下的邊坡穩(wěn)定性，并結(jié)合抗滑樁支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，選取布置樁位、樁間距、樁長等三個主要設(shè)計參數(shù)進行正交試驗分析，研究抗滑樁支護公路邊坡的作用機理。研究結(jié)果表明：抗滑樁布置位置是影響抗滑樁支護效果的最顯著因素，當(dāng)樁體結(jié)構(gòu)布置在邊坡中部時，邊坡支護效果最好，綜合考慮工程經(jīng)濟性和安全性的邊坡抗滑樁布置位置為中下部。

關(guān)鍵詞：公路邊坡；抗滑樁；正交試驗；安全系數(shù)

中圖分類號：U416.1+4 A 02 003 4

0 引言

隨著我國公路工程建設(shè)的持續(xù)開展，相應(yīng)的公路邊坡災(zāi)害也時有發(fā)生，不僅對公路網(wǎng)的暢通運行造成了嚴(yán)重影響，同時也對人民群眾的財產(chǎn)生命安全造成了極大的威脅。因此對特殊路段的公路邊坡仍需布置適宜的支擋結(jié)構(gòu)，從而保證公路邊坡的長期穩(wěn)定性。抗滑樁作為一種常用的邊坡支擋結(jié)構(gòu)，具有支擋效果良好、施工技術(shù)成熟等優(yōu)點，在公路邊坡防護治理工程中得到了廣泛應(yīng)用。通過對現(xiàn)有抗滑樁結(jié)構(gòu)在公路邊坡應(yīng)用情況的調(diào)研分析，抗滑樁結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用依然存在著依賴工程經(jīng)驗設(shè)計或采用類比設(shè)計法等現(xiàn)象，因此有必要對于抗滑樁支護公路邊坡的影響因素進行進一步研究?？紤]到實際工程中抗滑樁的設(shè)計要點及抗滑樁成行布置的特點，抗滑樁的樁位、樁間距及樁長為工程設(shè)計中應(yīng)主要關(guān)注的幾個因素，相關(guān)學(xué)者也依據(jù)這幾個主要影響因素對抗滑樁應(yīng)用于邊坡工程的相關(guān)工作開展了研究。羅偉等［1］考慮巖土體非線性參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，建立了巖土體與抗滑樁結(jié)構(gòu)的簡化力學(xué)模型，推導(dǎo)樁體受力，并給出抗滑樁加固邊坡的極限平衡解。景彬余等［2］開展室內(nèi)模型試驗，分析了抗滑樁加固邊坡的受力情況，并明確了抗滑樁支護路基邊坡的樁土相互作用情況。于洋等［3］則建立了雙排樁的理論計算模型，討論了雙排樁機構(gòu)的“遮蔽效應(yīng)”，進一步分析了雙排樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程邊坡的支護效果。在研究工作中除了考慮抗滑樁結(jié)構(gòu)支護工程邊坡的受力情況，樁間距及樁長等設(shè)計參數(shù)也是重要的分析方向。張渭軍等［4］利用可視化邊坡試驗?zāi)Ｐ?，配合PIV技術(shù)對抗滑樁支護邊坡模型時的內(nèi)部位移場進行了分析，揭示了抗滑樁錨固長度對支護效果的影響。而趙明華等［5］建立考慮土拱影響因素的計算模型，分析了土體內(nèi)摩擦角、樁土界面參數(shù)對土拱效應(yīng)的影響，對抗滑樁支護工程邊坡樁間距的選取提供了相應(yīng)的建議。

基于上述的研究成果，抗滑樁支護工程邊坡的研究工作主要通過室內(nèi)試驗或原位試驗來具體開展，考慮到原位試驗和室內(nèi)試驗的高成本及長周期的特點，數(shù)值分析方法成為部分學(xué)者開展研究工作的有力工具。李煥煥、劉怡林等［6-7］依托工程建設(shè)的實際問題，結(jié)合現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)，分別建立了相關(guān)數(shù)值模型分析抗滑樁支護工程邊坡的穩(wěn)定性問題，研究結(jié)果對相應(yīng)工程建設(shè)起到了一定的指導(dǎo)作用。王曉芳等［8］則利用數(shù)值分析軟件，討論研究了抗滑樁結(jié)構(gòu)的布設(shè)位置、樁長、彈性模量對支護效果的影響，研究結(jié)果表明要謹(jǐn)慎提高抗滑樁的彈性模量。

結(jié)合上述分析，抗滑樁結(jié)構(gòu)在公路邊坡中得到了廣泛的應(yīng)用，但是相關(guān)研究成果相較于實際工程應(yīng)用，仍然處于相對滯后狀態(tài)，在抗滑樁的設(shè)計應(yīng)用工作中依然存在依靠經(jīng)驗的現(xiàn)象，用于指導(dǎo)抗滑樁設(shè)計工作的相應(yīng)設(shè)計準(zhǔn)則及影響因素還不夠明晰，對抗滑樁支護公路邊坡的作用機理還需進一步探究。因此，本文依托實際抗滑樁建設(shè)工程，開展抗滑樁結(jié)構(gòu)支護公路邊坡穩(wěn)定性的分析研究工作，并對抗滑樁支護邊坡的作用機理進行分析，以期相應(yīng)研究成果可對實際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型的建立

本文依托某快速通道建設(shè)工程右側(cè)路塹高邊坡防護工程，利用數(shù)值分析軟件FLAC3D建立計算模型，F(xiàn)LAC3D［9］作為一種專門針對巖土計算的三維數(shù)值分析工具，對處理巖土非線性變形及受力特征的問題具有明顯的優(yōu)勢。依托工程邊坡坡高為 10 m，設(shè)計坡率為1∶1.5。分析現(xiàn)場工程地質(zhì)勘探結(jié)果，得到路塹高邊坡工程的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)現(xiàn)場支擋結(jié)構(gòu)的布置情況，構(gòu)建形成如圖1所示的三維數(shù)值分析模型。模型的邊界條件與尺寸變化可根據(jù)實際分析需要進行調(diào)整。

1.1 計算模型與邊界

為研究抗滑樁支護公路邊坡影響因素及作用機理，建立了三維數(shù)值計算模型如圖1所示，邊坡模型長P x為 35 m，左側(cè)高為 14 m，右側(cè)高為 24 m，邊坡坡率為1∶1.5。抗滑樁根據(jù)工程實際采用方樁結(jié)構(gòu)，尺寸為長C x×寬L x×高H x= 1.8 m×1.8 m×15 m。邊坡模型頂部與底部平臺寬度均為 10 m，模型y方向長度可根據(jù)計算需要進行調(diào)整，模型底部為固定邊界，模型兩側(cè)x、y方向為滾支邊界，頂部為自由邊界。擬采用強度折減法計算抗滑樁支護公路邊坡的穩(wěn)定性。

1.2 計算參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況及工程計算經(jīng)驗，抗滑樁采用實體單元表征，與公路邊坡巖土體共同選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。

2 正交試驗設(shè)計

考慮到試驗周期的問題，本文采用正交試驗法來進行試驗設(shè)計。正交試驗法［10］是一種能夠考慮多種影響因素的試驗設(shè)計方法，該種方法依據(jù)正交性的特點，從全面試驗中選擇具有代表性的點進行試驗方案設(shè)計，在保證試驗結(jié)果可靠性的基礎(chǔ)上，能夠有效減少試驗次數(shù)，提高試驗效率。通過對已有研究成果及抗滑樁支護設(shè)計要點的分析，本次試驗選擇樁位、樁間距、樁長變化量作為分析的主要因素，結(jié)合圖1所示的邊坡計算模型及分析研究目標(biāo)，對三個研究因素分別設(shè)計三個變化水平，即樁體布置位置選擇為頂部、中部、下部，具體樁體布置情況如圖2所示。樁間距根據(jù)樁體寬度L x的具體數(shù)值確定，具體水平為3L x、4L x、5L x。而對于樁長變化量，初始樁長為 15 m，結(jié)合抗滑樁實際應(yīng)用情況，選擇樁長變化量為 0 m、3 m、7 m。具體研究因素及變化水平匯總?cè)绫?所示。

將表2的研究因素及變化水平匯總后，應(yīng)選擇合適的正交試驗表，設(shè)計正交試驗方案?？紤]到本次分析為三因素三水平的正交試驗，因此選擇L 9（34）正交表，構(gòu)建形成的正交試驗方案如表3所示。

3 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

根據(jù)表3設(shè)計的正交試驗方案，利用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D開展了數(shù)值計算，并實時記錄不同工況下的邊坡安全系數(shù)作為計算結(jié)果。具體統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

運用極差分析方法對表4的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果進行分析，并通過比較極差數(shù)值之間的大小來判斷相關(guān)研究因素的主次關(guān)系。極差分析結(jié)果如表5所示。由表5可知，抗滑樁布置位置極差值最大，證明該研究因素對邊坡穩(wěn)定性的影響權(quán)重最大，樁間距極差值次之，且數(shù)值與樁位因素極差值較為接近，證明其對邊坡穩(wěn)定性也有重要影響，樁長變化量極差值最小，可推斷其對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

在極差分析的基礎(chǔ)上，為了進一步判斷研究因素對邊坡穩(wěn)定性影響的主次關(guān)系，需對試驗結(jié)果進行方差分析，從而將由于因素水平變化引起的試驗結(jié)果的波動與數(shù)據(jù)誤差的產(chǎn)生的波動區(qū)分開來，保證了分析結(jié)果的有效性和可靠性。對表4的試驗結(jié)果進行方差分析，計算得到了各個研究因素的F比值，選擇顯著性水平α=0.1，具體分析結(jié)果如表6所示。

結(jié)合方差分析特點，根據(jù)顯著性水平α=0.1，查閱F表，可得F 0.1（2，2）=9，根據(jù)正交試驗法對因素顯著性的評價標(biāo)準(zhǔn)及方差分析結(jié)果，可以推斷抗滑樁位置、樁間距均為在當(dāng)前因素變化水平下影響邊坡穩(wěn)定性的顯著性因素，而樁長則為當(dāng)前因素變化水平下的非顯著性因素。

4 抗滑樁支護公路邊坡作用機理分析

由正交試驗結(jié)果可知，抗滑樁應(yīng)用于公路邊坡支護效果的三個主要影響因素具有明顯的顯著性差異。根據(jù)表6的方差分析結(jié)果，樁位和樁間距對支護效果具有顯著影響，而其中樁位影響支護效果最為顯著，這與實際工程中抗滑樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點也能夠相互吻合?；谌S數(shù)值分析結(jié)果，固定樁間距條件為3L x，進一步探究不同樁體布置位置下抗滑樁結(jié)構(gòu)與邊坡巖土體的相互作用情況，分析抗滑樁結(jié)構(gòu)支護公路邊坡的作用機理，并對不同布置位置的抗滑樁支護結(jié)構(gòu)的防護效果進行評價。

基于三維數(shù)值模擬試驗結(jié)果，控制樁間距為3L x，得出不同布置位置的抗滑樁支護公路邊坡的安全系數(shù)，邊坡變形破壞模式如圖3所示。

由圖3可知，設(shè)計公路邊坡不同的抗滑樁布置位置，分析公路邊坡的變形破壞情況。圖3（a）為抗滑樁布置在頂部時的變形破壞情況，土體在重力荷載作用下，產(chǎn)生了向下滑移破壞的運動趨勢，抗滑樁結(jié)構(gòu)能夠起到承受滑坡推力的作用，從而保證整體邊坡的穩(wěn)定性，但是由于抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡頂部，能夠支擋的巖土體數(shù)量有限，而邊坡下部的土體由于未有支擋結(jié)構(gòu)的約束作用，有可能出現(xiàn)滑移情況。圖3（a）對此種變化趨勢也進行了反映，邊坡下部土體在重力荷載作用下出現(xiàn)了較為明顯的滑移變形，此時邊坡的安全系數(shù)F s=1.31。

對于抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡中部的情況，由于抗滑樁結(jié)構(gòu)的承載特點，上部巖土體在重力作用下出現(xiàn)滑移趨勢時，抗滑樁結(jié)構(gòu)能夠起到有效的控制作用，約束土體無法進一步下滑，且抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡中部，樁體下部巖土體較少，避免了頂部布置形式下部巖土體過多的問題，從而有效地提升了邊坡結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。此時邊坡的安全系數(shù)F s=1.52。

對于抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡底部的情況，樁體在荷載范圍內(nèi)承載土體的數(shù)量上得到了有效增加，這對于提升邊坡整體穩(wěn)定性情況是有利的。但是需要指出的是，底部抗滑樁結(jié)構(gòu)布置由于布置位置過于靠近邊坡底部，上部巖土體出現(xiàn)滑移趨勢后有可能出現(xiàn)“越頂”的情況，具體形式如圖3（c）所示。土體在重力荷載作用下即將發(fā)生“越頂”的情況，從而導(dǎo)致邊坡的整體穩(wěn)定性反而出現(xiàn)了下降，此時邊坡的安全系數(shù)F s=1.29，與頂部布置位置較為接近。

基于以上分析，抗滑樁結(jié)構(gòu)的樁位選擇對于支擋結(jié)構(gòu)的整體防護效果具有顯著的影響。對于三種布置形式，從邊坡安全系數(shù)層面來分析，抗滑樁布置在邊坡中部時支擋效果最好，但在實際工程中，由于復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境及較大的邊坡坡度，抗滑樁布置位置越靠近邊坡上部，布置難度將迅速增加，從而產(chǎn)生工程安全性及工程經(jīng)濟性問題。因此綜合考慮抗滑樁作用機理及工程適用性的因素，建議在實際工程條件下，抗滑樁結(jié)構(gòu)應(yīng)布置在邊坡中下部，此種布置形式能夠同時考慮邊坡穩(wěn)定性和工程適用性；同時建議對布置在邊坡中下部的抗滑樁結(jié)構(gòu)進行樁頂加長處理，防止出現(xiàn)土體“越頂”的情況。

5 結(jié)語

本文在公路邊坡常用支護結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果的基礎(chǔ)上，對抗滑樁結(jié)構(gòu)在公路邊坡的應(yīng)用及邊坡穩(wěn)定性影響因素展開了探究，選取了三個主要研究因素討論抗滑樁支護公路邊坡的應(yīng)用特點，設(shè)計正交試驗分析不同研究因素的顯著性差異，并對顯著研究因素（抗滑樁布置位置）的變化影響邊坡穩(wěn)定性的作用機理進行了評述，得出了以下的結(jié)論：

（1）抗滑樁結(jié)構(gòu)支護公路邊坡時，在一定范圍內(nèi)，隨著樁間距的減小，抗滑樁結(jié)構(gòu)對邊坡的支護效果越好，但同時需要指出，樁間距過小會嚴(yán)重影響工程經(jīng)濟性。

（2）利用正交試驗方法，討論分析了抗滑樁支護情況下影響邊坡穩(wěn)定性的三個因素的主次順序，抗滑樁布置位置為最主要因素，樁間距為次要因素，而樁長為更次要因素。結(jié)合抗滑樁的實際應(yīng)用情況，“更次要因素”樁長可根據(jù)實際需要進行適當(dāng)縮減，但過分縮減樁長極有可能導(dǎo)致支擋結(jié)構(gòu)整體失效的嚴(yán)重后果，因此樁長縮減應(yīng)按照規(guī)范要求進行。

（3）根據(jù)三維數(shù)值試驗結(jié)果，對不同布置情況下抗滑樁支護公路邊坡的作用機理進行了分析，抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡頂部容易導(dǎo)致下部邊坡土體出現(xiàn)滑移情況，影響邊坡穩(wěn)定性?？够瑯督Y(jié)構(gòu)布置在邊坡中部，既能起到承載上部巖土體滑坡推力的作用，同時樁體結(jié)構(gòu)下部巖土體數(shù)量較少，邊坡穩(wěn)定性更好。抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡底部則容易出現(xiàn)土體“越頂”的情況。綜合考慮工程經(jīng)濟性和施工安全性，抗滑樁結(jié)構(gòu)布置在邊坡中下部最為適宜，考慮到邊坡土體“越頂”的情況，應(yīng)同時采取樁頂加長的方法進行防治。

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收稿日期：2022-12-12

作者簡介：

田 濤（1987—），工程師，主要從事高速公路項目建設(shè)管理工作。