雙排抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性因素分析

作者簡介：

蔣志強（1975—），高級工程師，主要從事高速公路投資、建設與管理工作。

摘要：兩級公路邊坡因其復雜的材料、結構組成常產(chǎn)生滑坡災害，為公路的建設和運營帶來了挑戰(zhàn)。文章以廣西賀巴高速公路某古滑坡ZK7-9截面為研究對象，采用極限平衡法研究雙排抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的影響。結果表明：在上臺階設抗滑樁時，樁長越大安全系數(shù)越高，而在下臺階設置第二根抗滑樁時，安全系數(shù)在28 m樁長時達到最優(yōu)；增大樁的彈性模量和樁徑可以提高邊坡安全系數(shù)，但達到一定值后對安全系數(shù)影響不大。

關鍵詞：雙排抗滑樁；公路邊坡；極限平衡法；穩(wěn)定性分析

中圖分類號：U416.1+4文獻標識碼：A 20 063 3

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略推進，越來越多的公路工程走向地勢復雜的山谷丘陵，這對公路的建設和運營帶來了挑戰(zhàn)［1-2］。多級公路邊坡因其含有多個滑坡帶，因此在實際工程中更易發(fā)生失穩(wěn)［3-4］，這引得許多學者對此開始研究。楊校輝等［5］基于瑞典條分法，提出了多級黃土高邊坡穩(wěn)定性計算方法和多級邊坡滑移面搜索模型，結果表明，該多級邊坡穩(wěn)定性算法和多級邊坡滑移面搜索模型可以評價多級邊坡整體穩(wěn)定性。戴維森等［6］以某高速公路多級邊坡為例，結合地質雷達和數(shù)值反演分析多級邊坡穩(wěn)定性，結果顯示其采用的錨桿支護方案對邊坡加固效果顯著。以往，抗滑樁加固多級邊坡多采用單個抗滑樁，因此研究雙排抗滑樁加固多級邊坡很有意義。

本文以廣西賀巴高速公路某古滑坡ZK7-9截面為研究對象，使用Geo Studio軟件，分析雙排抗滑樁長、樁的彈性模量以及樁徑對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 模型的建立

廣西賀巴高速公路某古滑坡ZK7-9截面左側高81 m，右側高30 m，水平寬度為180 m，兩級邊坡臺階的坡率約為1∶1.5。采用Geo Studio軟件進行建模，模型全局網(wǎng)格尺寸為2 m，滑帶處網(wǎng)格尺寸為1 m，抗滑樁處網(wǎng)格尺寸為0.5 m（如圖1所示）。邊坡土層材料參數(shù)和樁的初始參數(shù)如表1、表2所示。

2 未加固邊坡穩(wěn)定性分析

采用極限平衡法計算邊坡在無加固條件下的穩(wěn)定性，所得滑動面如圖2所示，上部滑面安全系數(shù)為1.341，下部滑面安全系數(shù)為1.229。根據(jù)規(guī)范，下部滑面未達到要求。邊坡表現(xiàn)出淺層破壞形式，滑帶土在上、下部滑面中占約1/3區(qū)域，對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

3 雙排抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性因素分析

3.1 樁長的影響

上臺階抗滑樁的研究范圍取34～50 m，下臺階抗滑樁的研究范圍取17～33 m，得到不同樁長條件下的安全系數(shù)如圖3所示。由圖3可知，上臺階設樁加固后，上下滑面的安全系數(shù)均有提高，增幅分別為3.8%和3.4%，隨著樁長增加，上臺階滑面安全系數(shù)緩慢增加，在樁長為50 m時，增幅達到5.4%。下臺階滑面安全系數(shù)先較快增加，隨后增速放緩，在樁長為47 m時略有下降，之后繼續(xù)保持增長。上臺階抗滑樁的最佳樁長可取46 m，保持其不變，對下臺階設樁進行穩(wěn)定性計算。由于下臺階的抗滑樁未經(jīng)過上部滑面，故其安全系數(shù)幾乎不變，但相比只設置單根樁時，安全系數(shù)增加了0.002～0.004。這是由于樁的加固作用使土體間更緊密，降低了下滑力。下部滑面安全系數(shù)先保持增大，隨后在樁長＞28 m后趨于平緩，故取28 m作為下臺階樁的最佳樁長。

邊坡加固前后及兩根樁底部附近X方向應力分布如圖4所示。由圖4可知，在設樁加固前，邊坡應力水平從上到下依次提高，下方滑帶靠近坡腳位置存在100 kPa的應力突變，表明該處存在應力集中現(xiàn)象，可能發(fā)生滑動。設樁加固后，樁與滑帶、基巖交界處存在應力突變的現(xiàn)象，而樁底存在鮞狀分布的應力集中區(qū)域，與現(xiàn)有研究結果一致，最大應力近1 200 kPa，位于上部臺階樁底部，表明抗滑樁發(fā)揮了加固效果，提高了邊坡穩(wěn)定性。下部臺階樁的應力集中現(xiàn)象相對不明顯，表明其加固效果不如上部臺階樁。

雙樁加固后沿樁身的力矩及剪切力分布如圖5、圖6所示。對于上部臺階樁，力矩出現(xiàn)了3個極值點，分別位于兩層滑帶和基巖與滑體交界處附近；剪切力則呈不規(guī)則分布，最大值產(chǎn)生于下方滑帶與最下層滑體交界處附近。對于下部臺階樁，力矩呈S型分布，有兩個極值點，絕對值較大的極值產(chǎn)生于滑帶與基巖之間，靠近下方滑帶，較小的極值產(chǎn)生于上方滑帶以上；剪切力有3個極值點，分別位于基巖與滑體交界處、下方滑帶與最下層滑體交界處及樁埋深3 m附近。由于邊坡存在兩條滑帶及土石交界面，故力矩和彎矩分布表現(xiàn)出了多極值分布的形態(tài)，極值多發(fā)生滑帶及各土層交界處附近。

3.2 樁彈性模量的影響

保持樁長不變，分析彈性模量。抗滑樁的彈性模量分別取0.5 GPa、1 GPa、30 GPa、50 GPa、100 GPa、150 GPa、300 GPa、600 GPa和900 GPa，樁徑為2～6 m，步長為0.5 m，得到的安全系數(shù)如圖7所示。計算結果表明，彈性模量較小時安全系數(shù)隨之增加較快，超過150 GPa基本保持不變。

彈性模量增大過程中，計算得到的兩根抗滑樁中的最大正剪切力如圖8所示。從圖8可知，安全系數(shù)隨著彈性模量呈現(xiàn)出先快速增長后趨于不變的趨勢。

3.3 樁徑的影響

分析樁徑對加固效果的影響，模擬得到的邊坡安全系數(shù)隨樁徑變化如圖9所示。從圖9可知，安全系數(shù)隨樁徑增加持續(xù)提高，樁徑增大到一定值后安全系數(shù)變化較小。樁徑增大過程中，計算得到的兩根抗滑樁中的最大正剪切力如圖10所示，最大剪切力隨樁徑變化先較快增長后逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結語

本文以廣西賀巴高速公路某古滑坡ZK7-9截面為研究對象，采用極限平衡法分析了雙排抗滑樁對邊坡的加固效果及影響因素，獲得了樁長、彈性模量和樁徑對加固效果的影響，主要結論如下：

（1）在上臺階設抗滑樁時，樁長越大，安全系數(shù)越大，46 m為最優(yōu)樁長。在此基礎上設置第二根抗滑樁于下部臺階時，安全系數(shù)先隨樁長增加而提高隨后趨于穩(wěn)定，28 m為最優(yōu)樁長。

（2）樁的彈性模量和樁徑增大均能提高邊坡安全系數(shù)，但當兩者增大到一定值后影響安全系數(shù)變化不明顯。

（3）在樁長優(yōu)化后的雙樁加固條件下，樁與滑帶、基巖交界處發(fā)生應力突變，樁底存在應力集中區(qū)，下部臺階樁的應力集中程度不如上部臺階樁。沿樁身力矩和彎矩曲線呈多極值分布狀態(tài)，極值多發(fā)生于滑帶及土層交界處附近。

參考文獻

［1］陳 耀.新時代西部大開發(fā)的機遇和使命［J］.新西部（上旬刊），2020（1）：4-5.

［2］劉 歡，趙守良.山區(qū)運營公路邊坡監(jiān)測技術探討［J］.中國水運（下半月），2022，22（8）：140-141，152.

［3］易大雄.基于極限平衡理論的路塹高邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］.黑龍江交通科技，2021，44（7）：7-8，11.

［4］王冠華，孫焱焱，王明明.礦山露天開采中采場邊坡穩(wěn)定性研究——以欒川縣南泥湖露天鉬礦為例［J］.能源與環(huán)保，2023，45（2）：72-78.

［5］楊校輝，陸 發(fā)，郭 楠.多級黃土高邊坡穩(wěn)定性計算及數(shù)值模擬分析［J］.巖土工程學報，2022，44（S1）：172-177.

［6］戴維森.某高速公路多級邊坡穩(wěn)定性分析［J］.石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2019（2）：51-55.