抗滑樁加固路塹邊坡參數(shù)敏感性分析

摘要：為優(yōu)化抗滑樁加固路塹邊坡支護(hù)參數(shù)，文章基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件分析了某路塹邊坡的穩(wěn)定性，采用強(qiáng)度折減法探討了土體的剪脹性以及抗滑樁加固邊坡效應(yīng)。結(jié)果表明：抗滑樁可以顯著提高邊坡的穩(wěn)定性，未加固前邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.08，抗滑樁加固后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高至1.15以上；當(dāng)抗滑樁長度由12 m增大至24 m，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別提高了0.4、0.6和0.3。綜合來看，20 m樁長為最優(yōu)長度；抗滑樁樁間距由3 m增大至6 m，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小速率表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。對(duì)于依托案例而言，當(dāng)樁間距為4 m時(shí)，抗滑樁對(duì)邊坡的加固效應(yīng)最好，工程造價(jià)最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：抗滑樁；路塹邊坡；數(shù)值模擬；加固效果；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U416.1+1

0 引言

公路路塹邊坡穩(wěn)定性是影響公路工程安全運(yùn)營的重要因素之一。對(duì)于路塹邊坡的評(píng)價(jià)方法通常有極限平衡理論及有限元理論等。范杰林等［1］基于ABAQUS數(shù)值有限元系統(tǒng)，研究了堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，當(dāng)塑性區(qū)擴(kuò)展貫通時(shí)，滑動(dòng)面發(fā)生完全破壞，邊坡失穩(wěn)，失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)＜1.0。董自兵［2］基于有限元系統(tǒng)地研究了抗滑樁技術(shù)在公路路基邊坡加固中的應(yīng)用，結(jié)果表明，采用抗滑樁加固技術(shù)可以使邊坡的位移顯著減小，安全性能夠滿足規(guī)范的穩(wěn)定性要求。此外，抗滑樁施工過程中及施工完成后還應(yīng)實(shí)施長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測。程愛平等［3］綜合采用數(shù)值模擬和理論分析研究了成蘭鐵路高陡邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明，暴雨工況下該路基邊坡有失穩(wěn)破壞的可能性，采用雙排抗滑樁對(duì)高陡邊坡有較好的加固效果，且雙排樁中的后排樁位移明顯大于前排樁，前排抗滑樁樁前土壓力在滑面位置處發(fā)生突變。李立書［4］采用有限元軟件建立數(shù)值模型分析了矩形抗滑樁在路基高邊坡應(yīng)用，結(jié)果表明，增大抗滑樁長度和截面尺寸可以有效減小邊坡位移和提高安全穩(wěn)定性，但增大抗滑樁間距會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。綜合來看，24 m樁長為最優(yōu)長度。王江榮等［5］基于MIDAS數(shù)值有限元系統(tǒng)地研究了暴雨工況下已加固黃土高填方路基的邊坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明，暴雨工況采用抗滑樁加固高填方路基邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)效果明顯。

既有研究在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的時(shí)候一般不考慮巖土體剪脹性對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。本文采用ABAQUS數(shù)值模擬，基于強(qiáng)度折減理論，系統(tǒng)分析了某公路路塹邊坡在加固后邊坡穩(wěn)定性，研究了巖土體剪脹角對(duì)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

研究區(qū)坡體屬于典型的路塹邊坡?，F(xiàn)場鉆探資料發(fā)現(xiàn)，地表淺層土體主要成分為碎石土，中部為強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)砂巖，最底部為中等風(fēng)化的碳質(zhì)砂巖。其中碎石土呈黃色-黃褐色，稍密，含水率較低，主要成分為全風(fēng)化的碳質(zhì)砂巖，碎石含量介于30%～50%；碳質(zhì)砂巖呈白色-灰白色，強(qiáng)度較高，主要礦物為石英和長石等。邊坡開挖方式如圖1所示，采用三級(jí)放坡形式，坡比分別為1∶0.5、1∶0.75和1∶1。每級(jí)放坡高度為10 m，平臺(tái)馬道寬度位移2.5 m。根據(jù)測繪剖面建立數(shù)值計(jì)算模型（圖2）。建立模型時(shí)，為了減小應(yīng)力波在模型邊界反射造成的誤差，適當(dāng)對(duì)建模范圍進(jìn)行擴(kuò)大。最終模型的長度為150 m，高度為80 m。模型的網(wǎng)格總數(shù)為22 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為31 120。模型中抗滑樁采用pile單元進(jìn)行模擬。模型的邊界條件為底部約束三個(gè)方向的自由度。左右兩側(cè)施加水平方向的約束，頂部為自由面。本文對(duì)模型中所采用的土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。巖土體計(jì)算本構(gòu)采用摩爾-庫侖模型，抗滑樁采用線彈性本構(gòu)。抗滑樁等級(jí)采用C30混凝土。其中混凝土的密度為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.21，抗拉強(qiáng)度為3.0×106 Pa，抗壓強(qiáng)度為3.0×107 Pa。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為了研究抗滑樁加固前后邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，本文采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。該方法就是隨土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減，從而實(shí)現(xiàn)邊坡由穩(wěn)定到不穩(wěn)定的狀態(tài)量化。一般認(rèn)為，當(dāng)數(shù)值有限元達(dá)到不收斂或者變形發(fā)生突變的時(shí)候，會(huì)發(fā)生連續(xù)貫通破壞。強(qiáng)度折減法中內(nèi)摩擦角和粘聚力的折減方法為：

cr=c/Fs（1）

φr=arctan（（tanφ）/Fs）（2）

式中，c、cr——折減前后后土的粘聚力（kPa）；

φ、φr——折減前后土的內(nèi)摩擦角（°）；

Fs——強(qiáng)度折減系數(shù)或穩(wěn)定性安全系數(shù)。

2.1 剪脹角對(duì)坡體安全穩(wěn)定性的影響

圖3所示為剪脹角分別為0°、5°、10°和15°工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的具體大小情況。由圖可知，邊坡穩(wěn)定性隨剪脹角的增大呈拋物線規(guī)律增大，當(dāng)土體剪脹角為0°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.35；當(dāng)土體剪脹角為5°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.39；當(dāng)土體剪脹角為10°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.43；當(dāng)土體剪脹角為20°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.45?？傮w來看，當(dāng)剪脹角增大到一定程度時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)增長速率變慢。

2.2 抗滑樁最優(yōu)位置

為系統(tǒng)研究加固位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。本文以坡腳為參考點(diǎn)，由下至上分別設(shè)置了4個(gè)樁位（分別為1#～4#）（圖4）。樁長均為20 m，樁間距為4 m。圖5展示了邊坡位移與加固位置的相互關(guān)系。由圖可知，邊坡的水平變形和豎向變形均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)樁位分別位于4個(gè)樁位時(shí)，邊坡的最大位移分別為7.6 mm、7.2 mm、6.1 mm和7.0 mm。其中在樁位3#的情況下邊坡的變形最小。

圖6展示了抗滑樁位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響曲線。由圖可知，未布置抗滑樁時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.085，小于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。采用抗滑樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固后，可以顯著提高邊坡的穩(wěn)定性。其中當(dāng)抗滑樁處于1#位置時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.15，當(dāng)抗滑樁處于2#位置時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.18，當(dāng)抗滑樁處于3#位置時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.28，當(dāng)抗滑樁處于4#位置時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.23?？傮w來看，當(dāng)抗滑樁由1#移動(dòng)到位置3#時(shí)，邊坡穩(wěn)定性迅速提高；當(dāng)抗滑樁移動(dòng)到4#時(shí)，邊坡穩(wěn)定性減小。結(jié)合圖4結(jié)果，當(dāng)抗滑樁位于3#位時(shí)，邊坡的變形最小。因此，對(duì)于本文研究的邊坡而言，3#為最優(yōu)樁位。

2.3 抗滑樁最優(yōu)長度

為進(jìn)一步研究樁長對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，本文選擇了4種不同樁長進(jìn)行分析，樁長分別為12～16 m，樁間距均保持4 m不變。下頁圖7所示為抗滑樁長度對(duì)邊坡變形的影響曲線，由圖可知，邊坡的水平變形和豎向變形均表現(xiàn)出隨抗滑樁長度的增大而減小的趨勢(shì)。當(dāng)抗滑樁長度為12 m時(shí)，邊坡的最大變形量為7.6 mm，當(dāng)抗滑樁長度為16 m時(shí)，邊坡的最大變形量為7.4 mm，當(dāng)抗滑樁長度為20 m時(shí)，邊坡的最大變形量為6.5 mm，當(dāng)抗滑樁長度為24 m時(shí)，邊坡的最大變形量為6.0 cm?？傮w來看，邊坡的變形隨樁身長度的增大而減小，且當(dāng)樁長度由12 m增大至20 m時(shí)，邊坡位移變化速率較大，當(dāng)樁長度由20 m增大至24 m時(shí)，邊坡位移減小速率明顯減小。因此，20 m樁長為最優(yōu)長度。

圖8所示為抗滑樁長度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。與圖7規(guī)律相同，設(shè)置抗滑樁后，邊坡的穩(wěn)定性顯著提高?？够瑯堕L度由12 m增大至24 m，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別提高了0.4、0.6和0.3。因此抗滑樁長度越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性提升越顯著。但當(dāng)樁長度增大至20 m以上，繼續(xù)增大抗滑樁的長度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性提升不顯著。綜合來看，20 m樁長為最優(yōu)長度。

2.4 抗滑樁最優(yōu)間距

分別選取樁間距為3 m、4 m、5 m和6 m，并固定樁長為20 m，進(jìn)一步研究樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。圖9所示為樁間距對(duì)邊坡變形的影響曲線，由圖可知，邊坡的水平向變形和豎向變形均隨樁間距的增大而增大。當(dāng)樁間距為3 m時(shí)，邊坡的最大變形為3.2 mm，當(dāng)樁間距為4 m時(shí)，邊坡的最大變形為3.5 mm，當(dāng)樁間距為5 m時(shí)，邊坡的最大變形為5 mm，當(dāng)樁間距為3 m時(shí)，邊坡的最大變形為7.5 mm?？傮w來看，當(dāng)樁間距由3 m增大至4 m時(shí)，邊坡變形增大速率較小，當(dāng)樁間距由4 m增大至6 m過程中，邊坡的位移增大速率較大。

圖10所示為樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響曲線。與圖9規(guī)律相同，當(dāng)增加設(shè)置抗滑樁后，邊坡的穩(wěn)定性顯著提高，且隨抗滑樁樁間距的增大而減小。當(dāng)抗滑樁樁間距由3 m增大至6 m，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別減小了0.3、0.6和0.6。因此，抗滑樁間距越大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性越不利。根據(jù)樁間距對(duì)邊坡變形計(jì)穩(wěn)定性系數(shù)的影響綜合來看，當(dāng)樁間距為4 m時(shí)，抗滑樁對(duì)邊坡的加固效應(yīng)最好，工程造價(jià)最優(yōu)。

3 結(jié)語

本文基于ABAQUS數(shù)值模擬軟件分析了某路塹邊坡的穩(wěn)定性，采用強(qiáng)度折減法探討了土體的剪脹性以及抗滑樁加固邊坡效應(yīng)，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）邊坡穩(wěn)定性隨剪脹角的增大呈拋物線規(guī)律增大，當(dāng)土體剪脹角為0°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.35；當(dāng)土體剪脹角為20°時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.45?？傮w來看，當(dāng)剪脹角增大到一定程度時(shí)，穩(wěn)定性增大速率變慢。

（2）設(shè)置抗滑樁后，邊坡的穩(wěn)定性顯著提高。抗滑樁長度由12 m增大至24 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別提高了0.4、0.6和0.3。綜合來看，20 m樁長為最優(yōu)長度。

（3）抗滑樁樁間距由3 m增大至6 m時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別減小了0.3、0.6和0.6。當(dāng)樁間距為4 m時(shí)，抗滑樁對(duì)邊坡的加固效應(yīng)最好，工程造價(jià)最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-03-16

作者簡介：周巧云（1991—），工程師，研究方向：交通工程。