邊坡錨索抗滑樁穩(wěn)定性及加固方案優(yōu)化研究

作者簡介：覃尚文（1984—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

文章以云南省昆明市某邊坡工程為例，基于有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS，分析了邊坡的位移變化、預(yù)應(yīng)力錨索的軸力分布以及抗滑樁的變形特征，進(jìn)一步提出錨索抗滑樁的優(yōu)化方案，使其在降低成本的同時提高邊坡支護(hù)效果。主要結(jié)論為：（1）邊坡在錨索抗滑樁聯(lián)合支護(hù)下有較好的穩(wěn)定性；（2）前排抗滑樁的位移主要表現(xiàn)在樁身露出地表的部分，后排抗滑樁的位移表現(xiàn)在深入地下部分；（3）抗滑樁樁長的變化對邊坡穩(wěn)定性的增強存在一定的局限性；（4）抗滑樁在施加預(yù)應(yīng)力錨索后，樁身的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，由原本的被動受力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮芰?，從而起到了較好的預(yù)加固作用。

錨索抗滑樁；邊坡穩(wěn)定性；MIDAS GTS有限元軟件

U418.5+2A050155

0?引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷擴大。在鐵路公路、水利工程以及采礦行業(yè)飛速發(fā)展的同時，出現(xiàn)了大量的人工邊坡。人工邊坡自穩(wěn)性差，在強降雨作用下容易發(fā)生滑動，嚴(yán)重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。因此，研究邊坡穩(wěn)定性問題以及支護(hù)新方式顯得尤為關(guān)鍵。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對邊坡錨索抗滑樁穩(wěn)定性開展了大量的研究。目前的研究方法主要集中于數(shù)值分析方法（PFC、ANSYS、FLAC 3D等）與極限平衡法。金布格等［1］提出了一種計算錨索預(yù)應(yīng)力的方法，其原理是先計算出抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰?，進(jìn)而通過公式推導(dǎo)出錨索的預(yù)應(yīng)力，為錨索抗滑樁的工作原理研究打下了堅實的基礎(chǔ)。勵國良［2］提出了基于錨索抗滑樁-滑體計算錨索預(yù)應(yīng)力值，并通過室內(nèi)試驗對其計算式正確性進(jìn)行驗證，結(jié)果表明：邊坡上部錨索抗滑樁的側(cè)向應(yīng)力的分布規(guī)律呈K字型，而普通抗滑樁的側(cè)向應(yīng)力的分布呈矩形，二者的分布方式相似。邵磊［3］通過FLAC 3D軟件建立了有錨索抗滑樁聯(lián)合加固支護(hù)的邊坡模型，研究了錨固位置改變對錨索抗滑樁受力和位移的影響，結(jié)果表明：錨索抗滑樁加固位置的變化對邊坡最大位移的影響較小，對邊坡的安全系數(shù)的影響較大。裴強等［4］利用FLAC 3D軟件研究了錨索抗滑樁加固支護(hù)邊坡在地震作用下樁身內(nèi)應(yīng)力、坡體內(nèi)應(yīng)力以及坡體水平位移的變化規(guī)律，結(jié)果表明：在地震作用下邊坡水平位移減小，這是因為地震使坡體形成了土拱，與普通的抗滑樁相比，預(yù)應(yīng)力錨索-抗滑樁的彎矩分布規(guī)律近似“S”型，與剪力的分布規(guī)律相反。秦曉睿［5］對錨索預(yù)應(yīng)力抗滑樁的優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，通過正交試驗對錨索抗滑樁的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，與實際工程相結(jié)合，得出了設(shè)計參數(shù)的最佳組合。

錨索抗滑樁支護(hù)是一種重要的支擋結(jié)構(gòu)形式，其具有施工便捷、樁位設(shè)置靈活和抗彎性能強等優(yōu)勢，但其在理論方面的研究遠(yuǎn)落后于工程實踐。因此，本文基于前人對錨索抗滑樁研究的基礎(chǔ)，結(jié)合云南省昆明市某邊坡工程，通過數(shù)值模擬的方法，分析了采用錨索抗滑樁支護(hù)措施后邊坡的穩(wěn)定性問題，同時提出了錨索抗滑樁支護(hù)的優(yōu)化方案。

1?工程概況

1.1?工程地質(zhì)條件

1.1.1?地形地貌

研究區(qū)位于云南省昆明市，地勢險峻，地形起伏較大，區(qū)域地勢差異較大，主要地貌為高山剝蝕山地陡坡地貌。

1.1.2?地層巖性

研究區(qū)地層按結(jié)構(gòu)順序從上至下為：

雜填土，顏色為雜色，主要成分為碎石，粒徑約為0.5～3 cm，厚度約為0.2 m。

黏土，以紅褐色為主，硬塑，稍濕，厚度約為1～2 m，韌性以及干強度中等，結(jié)構(gòu)較松散、有較好的壓實性，容易產(chǎn)生豎直位移集中的沉降現(xiàn)象，巖芯呈短柱狀，表面稍具光澤。

下覆基巖上部為少量全風(fēng)化玄武巖，灰褐色，大部分巖石已經(jīng)風(fēng)化為具有一定塑性的黏土；下覆基巖下部為強風(fēng)化玄武巖，灰黑-褐紅色，致密狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖芯呈短柱狀。

1.1.3?軟弱結(jié)構(gòu)面

研究區(qū)內(nèi)地層巖性差異明顯，表現(xiàn)在上下伏巖層軟硬結(jié)構(gòu)面和節(jié)理裂隙面，這些軟弱結(jié)構(gòu)面易導(dǎo)致邊坡崩滑。

1.1.4?水文地質(zhì)

工程區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯地表水體存在，地下水主要以第四系孔隙水、巖溶水以及裂隙水為主，裂隙水水量較小，以大氣補給為主。

1.2?滑坡概況

邊坡位于研究區(qū)西側(cè)，由于坡頂?shù)乇韺訕O易產(chǎn)生不均勻沉降、土層較深，發(fā)生滑坡的風(fēng)險較大。在2019年5月，該地區(qū)遭遇連續(xù)的特大暴雨，導(dǎo)致邊坡部分土體產(chǎn)生坍塌，經(jīng)過專業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場勘察，設(shè)計出了在邊坡中上部加設(shè)錨索抗滑樁的支護(hù)方案。加固方案如圖1所示。

2?有限元模型的建立

2.1?MIDAS GTS軟件介紹

MIDAS GTS是MIDAS公司旗下的一款針對巖土工程的有限元分析軟件，擁有較先進(jìn)的DIANA的有限元分析內(nèi)核，其非線性分析能力能出色解決在溶洞、隧道、邊坡等各類巖土工程上所遇到的難題，支持十余種本構(gòu)模型以及多種自定義模型。通過MIDAS GTS軟件中的不同計算模塊可以對錨索抗滑樁支護(hù)下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。圖2為MIDAS GTS有限元建模過程［6］。

2.2?細(xì)觀參數(shù)的確定

細(xì)觀參數(shù)對MIDAS GTS軟件模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大，而軟件并不包含細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)的定量關(guān)系，因此土體力學(xué)參數(shù)根據(jù)野外調(diào)查報告以及室內(nèi)試驗進(jìn)行確定，如表1所示為巖土體力學(xué)參數(shù)［7］。

2.3?網(wǎng)格劃分及邊界條件

MIDAS GTS軟件的網(wǎng)格劃分需要對模型的重點分析部位進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，本文采用單位長度的方法對網(wǎng)格進(jìn)行尺寸控制，模型網(wǎng)格包括21 167個節(jié)點以及103 486個單元。

關(guān)于邊界條件，本文首先約束了邊坡左右兩側(cè)的位移，即在水平x方向設(shè)置位移約束，隨后在豎直y方向設(shè)置了模型前后端的位移約束，而模型的底部需要固定不動，故設(shè)置了x、y、z 3個方向的位移約束［8］。

2.4?模型的構(gòu)建

邊坡模型如圖3所示，邊坡坡頂高程為40.2 m，坡底高程為20.2 m，高差為20 m。首先在邊坡底部布設(shè)了一排錨索抗滑樁，錨索為4束16 mm的鋼絞線，抗滑樁樁長21 m，伸出地面長度為8 m；坡體中部的錨索預(yù)應(yīng)力抗滑樁與坡底的抗滑樁交錯布設(shè)，錨索為3束16 mm的鋼絞線組成，樁長12 m，伸出地面長度為2 m，為懸臂式抗滑樁，如圖4所示。錨索抗滑樁的各個參數(shù)取值依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）進(jìn)行取值。

3?模擬結(jié)果分析

為研究錨索抗滑樁的加固效果，本節(jié)通過研究邊坡水平和豎直方向的位移、不同位置的抗滑樁位移特征以及預(yù)應(yīng)力錨索軸力的分布規(guī)律來綜合分析錨索抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的影響［9］。

3.1?邊坡穩(wěn)定性分析

如圖5、圖6所示為錨索抗滑樁加固后邊坡的位移云圖。

由圖5、圖6可知，邊坡在水平方向最大的位移為4.25 mm，位于邊坡中上部；豎直方向位移的最大值為14.55 mm，位于坡頂與坡面相交處；邊坡的安全系數(shù)為1.392＞1.35（一級邊坡在自重情況下的安全系數(shù)最小值），采用錨索抗滑樁加固后邊坡的安全系數(shù)能夠滿足設(shè)計要求，說明加固效果較好。

邊坡在水平方向的位移較小，在豎直方向的位移較大，這是由于坡表紅黏土層容易產(chǎn)生較大的沉降，因此在實際邊坡工程治理過程中，要重視邊坡坡頂產(chǎn)生的不均勻沉降。

3.2?抗滑樁樁身水平位移分析

如圖7和圖8所示分別為前后排抗滑樁樁身水平位移曲線圖。

由圖7、圖8可知，布設(shè)于前排的錨索抗滑樁樁長從0 m增加至10 m時，其樁身水平位移增加了0.11 mm，增幅為33%，當(dāng)樁長從15 m增加至18 m時，其樁身水平位移增加了0.76 mm，增幅為122%，而隨著樁長的持續(xù)下移，樁身水平位移出現(xiàn)一定的下降趨勢，當(dāng)樁長為15～18 m時，抗滑樁樁身水平位移曲線斜率最大，表明坡底部抗滑樁的水平位移集中于樁身露出坡表處；而布設(shè)于后排的錨索抗滑樁樁長在0～4 m、4～10 m所對應(yīng)的水平位移增長率分別為150%、260%，水平位移在4～10 m的增幅較大，表明坡中部抗滑樁的水平位移集中于樁的中上部。前后排樁的水平位移曲線均呈“r”字形，說明錨索的施加使抗滑樁的受力狀態(tài)發(fā)生改變，樁從被動受力轉(zhuǎn)化為主動受力，從而起到了較好的預(yù)加固作用。

3.3?預(yù)應(yīng)力錨索軸力分析

圖9為后排錨索軸力分布圖。

由圖9可知，錨索的軸力分布具有分段性，第1階段為錨索自由段，此階段錨索長度為0～12.5 m，對應(yīng)的錨索軸力均在100 kN左右，表明軸力能夠較為均勻地分布在錨索上；當(dāng)錨索長度＞12.5 m時，為第2階段（錨索錨固段），錨索軸力呈不斷減小的趨勢，此時軸力的分布會集中于錨索灌漿體的前半部分。兩階段的軸力分布具有明顯差異性，出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于后排錨索抗滑樁的三束鋼絞線在12.5 m之前不會直接承擔(dān)坡體內(nèi)部產(chǎn)生的摩阻力，這部分的錨索等于僅一端被約束的桿件，軸力能夠較均勻分布；錨固段錨索的鋼絞線不僅要承擔(dān)坡體內(nèi)部的摩阻力，還要承受灌入錨索內(nèi)部的漿體阻力，錨索兩端均受到約束，使軸力出現(xiàn)集中分布的情況，所以軸力會逐漸趨近于0。

4?錨索抗滑樁支護(hù)方案優(yōu)化

為了選取錨索抗滑樁樁身長度、錨索預(yù)應(yīng)力、錨索錨固角度以及錨固段長度的最優(yōu)參數(shù)，本節(jié)通過調(diào)整錨索抗滑樁樁身長度、錨索預(yù)應(yīng)力、錨索錨固角度以及錨固段長度，分析4類因素變化對邊坡穩(wěn)定性的影響，從而在確保安全系數(shù)較高的前提下提高工程經(jīng)濟(jì)效益。

4.1?抗滑樁樁長參數(shù)優(yōu)化

不同抗滑樁樁長條件下的邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，當(dāng)抗滑樁樁長從9 m增加至11 m時，邊坡安全系數(shù)大幅提高，提高幅度為3.2%；而當(dāng)抗滑樁樁長從11 m增加至13 m時，邊坡安全系數(shù)基本不變，增幅僅為0.01%，說明僅依靠增加樁長難以達(dá)到持續(xù)增大邊坡安全系數(shù)的目的。因此，充分考慮工程實用性以及經(jīng)濟(jì)效益，將抗滑樁的最佳樁長定為11 m。

4.2?錨索預(yù)應(yīng)力參數(shù)優(yōu)化

不同錨索預(yù)應(yīng)力值條件下的邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，在錨索預(yù)應(yīng)力從50 kN增長到150 kN時，安全系數(shù)從1.365增長到1.415，增長率為3.7%；當(dāng)預(yù)應(yīng)力從150 kN增長到200 kN時，安全系數(shù)從1.415增長到1.416，增長率僅為0.07%，表明錨索的預(yù)應(yīng)力處于50～150 kN時，預(yù)應(yīng)力的增大能有效提高邊坡的安全系數(shù)。與增加抗滑樁樁長相同，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力增加到一定程度時，隨著錨索預(yù)應(yīng)力增加，邊坡安全系數(shù)基本不變，綜合考慮將錨索最佳的預(yù)應(yīng)力值定為150 kN。

4.3?錨索錨固角度的參數(shù)優(yōu)化

不同錨固角度條件下的邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖12所示。

由圖12可知，隨著錨索傾角的增大，邊坡的安全系數(shù)不斷減小，但傾角過小可能導(dǎo)致孔內(nèi)泌水等問題的出現(xiàn)，因此考慮工程實際情況，錨索傾角選為20°較為合理。

4.4?錨固段長度參數(shù)優(yōu)化

不同抗滑樁錨固段長度條件下的邊坡安全系數(shù)變化曲線如圖13所示。

由圖3可知，當(dāng)錨索抗滑樁錨固長度從3 m增長至8 m時，邊坡的安全系數(shù)增長了0.03，增長幅度較大；當(dāng)錨固長度從8 m增長到14 m時，安全系數(shù)僅增長了0.002，表明隨著錨固段長度的增加，邊坡的安全系數(shù)不斷增大，但與樁身長度和錨索預(yù)應(yīng)力的增長規(guī)律相似。當(dāng)錨固段的長度＞8 m時，邊坡的安全系數(shù)趨近于穩(wěn)定，綜合考慮錨索抗滑樁的工程實用性以及經(jīng)濟(jì)性，錨索的最佳鎖固段長度為8 m。

4.5?優(yōu)化方案與原方案數(shù)值模擬結(jié)果對比

由表2可知，與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化后邊坡最大總位移、最大水平位移以及最大豎直位移都有不同程度的減小，同時錨索抗滑樁所需的施工材料消耗量減少，邊坡的安全系數(shù)提高，說明優(yōu)化方案不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益，也增強了邊坡的加固效果，因此優(yōu)化后的加固方案更加合理。

5?結(jié)語

本文以云南省昆明市某邊坡工程為例，基于MIDAS GTS軟件，對采用錨索抗滑樁加固后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，分析邊坡安全系數(shù)以及位移變化，同時提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，使其經(jīng)濟(jì)效益與安全性均有所提高。

得到如下主要結(jié)論：

（1）前排抗滑樁的位移主要集中于樁身露出地表的部分，后排抗滑樁的位移主要集中于深入地下部分。

（2）隨著抗滑樁樁長、錨索預(yù)應(yīng)力的增長，邊坡安全系數(shù)不斷增大，但最終增長幅度均趨于平穩(wěn)。

（3）抗滑樁在施加預(yù)應(yīng)力錨索后，樁身的受力狀態(tài)發(fā)生了改變，由原本的被動受力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮芰?，從而起到了較好的預(yù)加固作用。

［1］金布格，依申柯. 錨索抗滑樁組合結(jié)構(gòu)的計算.滑坡文集（第五集）［M］.北京：中國鐵道出版社，1986.

［2］勵國良.錨索抗滑樁的設(shè)計計算及其試驗驗證.滑坡文集（十集）［M］.北京：中國鐵道出版社，1993.

［3］邵?磊.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁錨固位置優(yōu)化研究［J］.安全與環(huán)境工程，2016，23（2）：143-146，152.

［4］裴?強，夏超南，劉小慶，等.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)邊坡的地震動力響應(yīng)分析［J］.煤炭技術(shù)，2018，37（9）：57-58.

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