基于有限元法對抗滑樁在渠堤穩定中的影響因素分析

張飛 湯璐

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司 上海 200439）

基于有限元法對抗滑樁在渠堤穩定中的影響因素分析

張飛 湯璐

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司 上海 200439）

本文結合國內某大型渠堤工程，在簡單介紹該渠堤抗滑加固措施后，著重分析了水泥攪拌樁作邊坡加固措施的影響因素，并利用基于強度折減法的有限元軟件進行定量分析計算，得到在不同抗滑樁的樁長、樁徑和樁距與土質渠坡穩定安全系數的關系，文章在對大量試算方案綜合比較的基礎上，確定了該渠坡水泥攪拌樁的最優設計方案。該方法可為大中型渠坡堤防抗滑樁的設計提供參考。

渠坡防護 抗滑樁 影響因素 有限元法 安全系數

1 引言

邊坡穩定對工程的重要性不言而喻，邊坡失事方式多為邊坡失穩或堤防滲流滑移失穩引起滑坡，威脅水利工程及周邊群眾的生命財產安全。其危害大小與當地地形條件，居民點位置，水流排泄條件等關系密切。對邊坡的穩定安全國內外學者已做了很廣泛的研究。對于邊坡結構穩定分析計算，國內外學者也已提出了很多計算方法，例如：極限平衡法、塑性極限分析和滑移線場法等。

2 工程概況

該工程為高填方渠堤工程，由于渠堤高程較大，達到6～8m，局部達到10m左右，設計采用非膨脹土填筑堤身。填方渠堤邊坡穩定安全系數按一級土壩建筑物要求取1.5。

3 工程邊坡防護措施研究

為滿足渠堤的高填方要求，采用了一系列提高填方渠堤邊坡穩定的加固措施，主要包括：在高填方渠堤外側設置抗滑樁，戧臺、提高外坡邊坡穩定安全系數；放緩渠堤內外邊坡提高渠坡安全度。

4 抗滑樁影響因素研究

工程中抗滑樁位移和內力計算通常采用懸臂樁法。即滑動面以上樁體視為懸臂構件，滑動面以上作用于樁身的滑坡推力分布形式近似為矩形或三角形分布，假定滑坡推力方向與滑動面平行。滑動面以下樁體的錨固段，內力根據滑動面處的彎矩和剪力按地基彈性抗力系數K計算。按彈性地基梁計算樁身內力和變位時根據對地基系數的假定的不同分為“K”法、“m”法、“c”法。當滑床為較完整的巖質和硬粘土層時，通常采用“K”法，即地基系數為常數K；當滑床為硬塑一半堅硬的砂粘土、碎石土或風化破碎成土狀的軟質粘層時，采用“m”法，即地基系數隨深度呈線性增加。

4.1 結構形式

本工程抗滑樁使用水泥攪拌樁,水泥攪拌樁以其施工時無噪音、無泥漿廢水污染、造價較低等優點，廣泛應用于基坑支護，堤防、天然邊坡的抗滑穩定加固中。水泥攪拌樁在工程應用中，多采用連續結構形式，即可作為擋土墻起到擋土抗滑作用，又可作為防滲帷幕起到截滲作用。

結合本工程，水泥攪拌樁用于加固渠堤外邊坡，為保證渠堤外坡增設水泥攪拌樁后，渠道在正常運行時，渠堤浸潤線不升高，水泥攪拌樁采用非連續形式。水泥攪拌樁水泥摻入比為18%，樁徑0.6m，垂直水流方向連續攪拌，順水流方向間隔布置。

4.2 設計標準

本工程填方渠堤外坡，要求在渠道正常運行工況下安全系數采用簡化畢肖普方法計算不小于1.5。采用水泥攪拌樁加固后，在洪水綜合影響等級高和較高渠段，正常運行工況下，渠堤外坡采用簡化畢肖普法計算的安全系數，應分別不小于1.75和1.6。

4.3 影響因素研究

以下將以填方高度10m，坡比1∶2的典型斷面為例研究水泥攪拌樁作抗滑樁的支護效果和影響支護效果的因素。采用基于強度折減原理的有限元軟件進行研究。有限元法具有不受邊坡幾何形狀和材料不均勻限制的優點，能準確反映出邊坡土體的應力應變的本構關系，能夠考慮土體復雜的非線性關系，是目前邊坡穩定性分析中較為理想的方法。

4.3.1 水泥攪拌樁的支護效果

采用簡化畢肖普法計算典型斷面正常運行工況下渠堤外坡的安全系數F外=1.575，如圖1所示。

圖1 正常運行工況下外渠坡穩定安全系數F外=1.575

增設水泥攪拌樁后，采用簡化畢肖普法計算典型斷面正常運行工況下渠堤外坡，水泥攪拌樁斷面處的安全系數F外=1.826，如圖4.3-2所示。水泥攪拌樁樁徑為0.6m，垂直水流方向布置的三根攪拌樁為一組，樁間距為3m，樁長11m；水泥攪拌樁的抗剪強度c=800kPa, φ=0°，滲透系數取值為2×10-7m/s。

圖2 增設攪拌樁正常運行工況下外渠坡穩定安全系數F外=1.826

通過計算來看，采用攪拌樁加固后渠堤外坡的安全系數由1.575增加到1.826，增大了16%。

4.3.2 影響抗滑樁支護效果的因素

（1）樁間距。樁間距是抗滑樁設計的重要內容之一，土層中的拱作用的產生與拱結構物不一樣，拱結構是把材料制成拱形狀，在荷載作用下發揮其承受壓力的作用;而土拱有其自身的形成過程∶在荷載或自重的作用下，土體發生壓縮和變形，從而產生不均勻沉降，致使土顆粒間產生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產生“拱效應”。樁間距過大，樁間土拱不能形成，造成土體從樁間擠出，樁體抗滑作用失效；樁間距過小，會使工程投資增大，造成施工困難。

樁間距的確定影響因素較多，樁間間距可以建立了樁間土拱合理的計算模型。為保證相鄰樁間土拱正常發揮作用，通過建立以下控制條件∶在極限狀態下建立樁間土拱靜力學平衡方程;以莫爾一庫侖破壞準則作為驗算標準驗算拱頂截面前緣點，以保證樁間土拱不因剪切破壞而喪失穩定性∶為保證拱腳處三角受壓區不破壞，應滿足莫爾-庫侖破壞準則。

本工程由于攪拌樁并非連續布置，對于兩組攪拌樁之間渠坡穩定復核按照土拱效應來復核，即認為各組攪拌樁順水流方向的間距設置合適，則樁間土會形成土拱。粘性土形成土拱時，各組攪拌樁允許的最大凈距lmax按照下式計算：

式中，'B為樁寬度，本工程取值為0.6m；

c為土料的抗剪強度，本工程取值為40kPa;

φ—土料的摩擦角，本工程取值為22°；

q—拱后均布推力；

根據公式1計算最大凈距，并結合工程自身特點選取合適的水泥攪拌樁間距。

通過上述分析來看，增設水泥攪拌樁后渠堤外坡的安全系數將會得到提高。

（2）樁長。水泥攪拌樁在滿足斷面尺寸的要求下（滿足抗傾覆穩定、抗剪強度滿足要求），隨著樁長的增加，渠坡最危險滑弧將向地層深處發展，渠坡安全系數增加，如圖3～5所示，攪拌樁樁長L分別為10m、11m、12m時的安全系數分別為1.752、1.826、1.925。水泥攪拌樁樁長增加，則錨固段長度增加，也有利于攪拌樁的抗傾覆穩定，根據相關規范計算，錨固段長度滿足樁長的1/3-1/2時樁的抗傾覆穩定即滿足要求。因此，攪拌樁的最終樁長根據渠坡穩定安全系數確定。

圖3 攪拌樁L=10m正常運行工況下渠坡穩定安全系數F外=1.752

圖4 攪拌樁L=11m正常運行工況下渠坡穩定安全系數F外=1.826

圖5 攪拌樁L=12m正常運行工況下渠坡穩定安全系數F外=1.925

（3）斷面尺寸。水泥攪拌樁在樁長不變的情況下，斷面尺寸越大，渠坡的安全系數越大，但是當斷面尺寸滿足某一值后（抗剪強度滿足要求后），隨著水泥攪拌樁斷面尺寸的增加，渠坡的安全系數變化不大，如圖6～8所示，水泥攪拌樁斷面尺寸B分別為0.6m，1.2m，1.8m時渠坡的安全系數分別為1.806、1.816、1.826。根據計算，當水泥攪拌樁的斷面尺寸滿足抗剪強度后，斷面尺寸的增加對渠坡穩定安全系數影響不大。但是斷面尺寸增加，將有利于水泥攪拌樁的抗傾覆穩定。

圖6 攪拌樁B=0.6m正常運行工況下渠坡穩定安全系數F外=1.806

圖8 攪拌樁B=1.8m正常運行工況下渠坡穩定安全系數F外=1.826

（4）浸潤線。本工程是填方渠堤，浸潤線升高會引起渠堤的滲透穩定破壞，而水泥攪拌樁滲透系數比渠堤填筑料的滲透系數要小，因此增設水泥攪拌樁，會增大滲壓力，對樁間土穩定不利。不宜采用連續型式布置抗滑樁，故本工程水泥攪拌樁采用非連續形式。工程為降低浸潤線，

在兩組攪拌樁之間設置排水體。排水體寬度為0.6m，內填中粗砂，外接漿砌石貼坡排水，中粗砂夯實后的相對密度不小于0.7。

5 結論

工程最后結合影響水泥攪拌樁支護效果因素的分析，并根據各渠段的坡高、坡比和地質條件，初步確定各渠段水泥攪拌樁的長度、斷面尺寸、樁間距。洪水綜合影響等級高重點渠段，適當加長水泥攪拌樁的樁長和減小樁間距，提高渠坡穩定安全系數。結果見表1。

表1 洪水綜合影響等級高渠堤水泥攪拌樁布置表

本文主要通過有限元軟件研究了抗滑樁在高渠坡的邊坡穩定的影響因素研究，抗滑樁作為邊坡，堤防，渠堤等的支擋結構，具有施工快、安全可靠等優點，在基礎建設領域的邊坡加固中得到廣泛應用。通過文章的研究表明增大水泥攪拌樁的樁長和斷面尺寸，減小樁間距將有利于水泥攪拌樁的加固效果，但將會增加工程投資。同時在使用水泥攪拌樁作為抗滑樁以后會引起渠坡堤防等的浸潤線的變化，應分析確定對實際工程的影響合理確定抗滑樁的設計參數。文章的研究將為以后的工程提供參考。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.019

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1672-2469(2014)09-0060-04

張飛（1987年—），男，助理工程師。