抗滑樁加固后邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與樁位優(yōu)化研究進(jìn)展

宋英杰，陳文強(qiáng)，李長(zhǎng)冬

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

抗滑樁加固后邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與樁位優(yōu)化研究進(jìn)展

宋英杰，陳文強(qiáng)，李長(zhǎng)冬

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

邊坡失穩(wěn)是影響人類(lèi)工程建設(shè)活動(dòng)安全性的一類(lèi)常見(jiàn)的地質(zhì)問(wèn)題，抗滑樁是邊坡治理工程中常用的防治措施之一，但是目前考慮加樁后邊坡的穩(wěn)定性研究較少。針對(duì)抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和抗滑樁樁位布設(shè)優(yōu)化問(wèn)題的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，重點(diǎn)綜述了:抗滑柱加固邊坡的穩(wěn)定性分析方法，即國(guó)內(nèi)外在理論計(jì)算、數(shù)值模擬和物理模型實(shí)驗(yàn)三方面的研究成果，并對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn);目前常用的抗滑樁最優(yōu)布設(shè)分析方法，并指出了各自的適用條件;當(dāng)前邊坡工程中抗滑樁樁位優(yōu)化研究的現(xiàn)狀，并對(duì)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，可為今后類(lèi)似研究提供一定借鑒與參考。

邊坡;抗滑樁;穩(wěn)定性分析;樁位優(yōu)化

近幾十年來(lái)，伴隨著國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)活動(dòng)的蓬勃發(fā)展，作為自然界中廣泛分布的一類(lèi)地質(zhì)體，邊坡的穩(wěn)定性分析及加固問(wèn)題一直是工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。工程實(shí)踐表明，通過(guò)采取邊坡加固措施如擋土墻、錨索、抗滑樁等可以顯著提高邊坡的穩(wěn)定性，避免工程建筑遭受破壞。通過(guò)抗滑樁加固邊坡是應(yīng)用廣泛的一種加固措施，目前關(guān)于抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析已經(jīng)發(fā)展了多種方法。抗滑樁的樁位布設(shè)問(wèn)題不僅會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，還與實(shí)際工程造價(jià)有關(guān)，合理地布設(shè)抗滑樁樁位能大大節(jié)約成本，因此很有必要對(duì)抗滑樁的合理樁位問(wèn)題進(jìn)行研究，但目前關(guān)于此問(wèn)題的研究常由于采用不同的方法得出的結(jié)果往往有差異。鑒于此，本文針對(duì)抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性分析方法和抗滑樁樁位布設(shè)優(yōu)化問(wèn)題的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和分析，并指出當(dāng)前邊坡工程中抗滑樁合理樁位研究領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題，為工程實(shí)踐和理論研究提供一定的借鑒與參考。

1 抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性分析方法研究進(jìn)展

自20世紀(jì)50年代抗滑樁開(kāi)始被應(yīng)用于邊坡的加固以來(lái)，大量的工程實(shí)踐和理論研究都表明，通過(guò)抗滑樁來(lái)加固可能或已經(jīng)滑動(dòng)的邊坡是一種行之有效的方法［1］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了廣泛的研究，目前主要的研究方法有理論計(jì)算、數(shù)值模擬、物理模型實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)方面。

1．1 理論計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)外用于計(jì)算抗滑樁加固邊坡提供的抗滑力與加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(也稱(chēng)穩(wěn)定安全系數(shù))的方法主要包括極限平衡法、極限分析法和強(qiáng)度折減法等。

1．1．1 極限平衡法

極限平衡法是以Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用力學(xué)平衡原理對(duì)即將產(chǎn)生滑動(dòng)破壞的潛在滑動(dòng)面上的巖土體用靜力平衡條件來(lái)求得邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)［2］。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外以極限平衡法為基礎(chǔ)的方法主要有Fellenius法［3］、簡(jiǎn)化 Bishop法［4］、Morgenstern-Price法［5］、Spencer(1967，1973)法［6-7］、Sarma(1973)法［8］、Janbu(1973)法［9］和國(guó)內(nèi)常用的推力傳遞法［10］等。

目前，抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算大多是通過(guò)計(jì)算作用在抗滑樁上的主動(dòng)土壓力或剩余推力來(lái)得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。關(guān)于抗滑樁提供的抗滑力的計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)的計(jì)算方法主要可歸納為懸臂樁法和地基系數(shù)法［11］;國(guó)外Ito等通過(guò)運(yùn)用極限平衡的方法和作者本人導(dǎo)出的作用在單排樁的橫向力對(duì)地基塑性變形的理論方程(Ito-Matsui方程［12］)，進(jìn)行了單排樁加固的邊坡穩(wěn)定性分析［13］;穆啟超等［14］運(yùn)用剩余推力法對(duì)抗滑樁加固新房村滑坡的可行性進(jìn)行了研究。

極限平衡法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便且得出的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際工程中，因此該法仍是邊坡工程中廣泛被應(yīng)用的方法;但該法的缺點(diǎn)是:①需要事先假定滑動(dòng)面，再通過(guò)安全系數(shù)的表達(dá)式反過(guò)來(lái)求解可能的滑動(dòng)面，求解的過(guò)程需要通過(guò)迭代求解隱式方程組，求解結(jié)果存在誤差;②對(duì)于非均質(zhì)、分層巖土體，事先假設(shè)的滑動(dòng)面與實(shí)際情況相差較大;③沒(méi)有考慮巖土體的實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，假設(shè)的巖土體的受力情況與實(shí)際不符。

1．1．2 極限分析法

極限分析法將巖土體視為理想剛塑性體，滿足屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)準(zhǔn)則和小應(yīng)變假設(shè)，根據(jù)所求得的極限解的大小可分為極限分析上限定理和下限定理［15］。由20世紀(jì)70年代金屬塑性理論發(fā)展而來(lái)的極限分析法的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)找出某一個(gè)問(wèn)題最大膽(上限解)和最保守(下限解)的解答后，再?gòu)闹写_定一個(gè)解作為問(wèn)題的正確解。如果上限解等于下限解，則所得的解就是準(zhǔn)確解［16］。

極限分析上限法也稱(chēng)能量法，這種方法認(rèn)為巖土體為理想剛塑性體，然后利用連續(xù)介質(zhì)的虛功原理和塑性力學(xué)的上限定理求解邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。早期Chen［17］和很多學(xué)者都用能量法討論了邊坡的穩(wěn)定性，其基本思路是:從變形協(xié)調(diào)出發(fā)，對(duì)于已設(shè)定的滑裂面建立協(xié)調(diào)的速度場(chǎng)，然后以內(nèi)能耗散和外力功相平衡的原理為基礎(chǔ)，得到相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。該方法假設(shè)滑動(dòng)面如圖1所示，為了簡(jiǎn)化，將坡體視為均質(zhì)、各向同性和干燥的土體，滑動(dòng)面的方程為［18］

式中:r0為對(duì)數(shù)螺旋線關(guān)于O點(diǎn)的半徑(m);rF為與角度θF(rad)有關(guān)的半徑(m);為土體的內(nèi)摩擦角(°);F為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

圖1 單排樁加固的螺線形邊坡滑動(dòng)面破壞機(jī)制示意圖［18］Fig．1 Rigid rotation collapse mechanism of slope reinforced with a row of piles

滑體關(guān)于O點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω(rad/s)，根據(jù)能量法的基本原理，當(dāng)外部荷載(包括重力)做功功率和內(nèi)力能量消散功率相等時(shí)，坡體處于極限平衡狀態(tài)。重力做功功率W1(kW)可以表示為［18］

式中:γ為土體的重度(kN/m3);f1～f4為關(guān)于α(°)、θ0(rad)、θh(rad)(°)、β(°)和β'(°)的無(wú)量綱函數(shù)。

對(duì)于單排樁加固的邊坡，內(nèi)力所做能量消散功率包括滑動(dòng)面土體內(nèi)聚力的能量消散功率D1(kW)和樁體附近本身功率D2(kW)。內(nèi)力做功功率可以表示為［18］

式中:c為土體的內(nèi)聚力(kPa)。

樁體做功功率可以表示為［18］

式中:Fp為樁對(duì)單位寬度的滑體施加的力(kN/m)。

f1～f5的計(jì)算公式如下［18］:

式中:L為坡面與坡頂?shù)慕稽c(diǎn)與滑動(dòng)面與坡頂?shù)慕稽c(diǎn)之間的距離(m)，見(jiàn)圖1;H為坡面與坡頂?shù)慕稽c(diǎn)至水平地表面間的距離(m);為土體的折減內(nèi)摩擦角(°)。

D1和D2之和就是總的內(nèi)能耗散，由外力功和內(nèi)能耗散相平衡的原理可以推導(dǎo)出［18］:

Fp的計(jì)算公式為［18］

式中Fp可采用Ito和Matsuil的彈塑性理論來(lái)求得［13］。因?yàn)榛瑒?dòng)面和地面之間樁的長(zhǎng)度h與Fp的值是相關(guān)的，所以當(dāng)每次選擇一個(gè)新的滑動(dòng)面時(shí)，要根據(jù)新選擇的滑動(dòng)面來(lái)計(jì)算Fp的大小，即運(yùn)用公式來(lái)求得Fp從而確定一個(gè)新的穩(wěn)定系數(shù)，這種方法比傳統(tǒng)極限平衡法更方便且符合實(shí)際。

1．1．3 強(qiáng)度折減法

20世紀(jì)70年代末，Zienkiewice等［19］就已經(jīng)提出將強(qiáng)度折減技術(shù)和有限元法結(jié)合起來(lái)。近年來(lái)，隨著數(shù)值計(jì)算水平的發(fā)展，有限元強(qiáng)度折減法已成為比較常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法。

Ugai［20］假定土體為理想的彈塑性材料，采用強(qiáng)度折減有限元法對(duì)直立邊坡、傾斜邊坡、非均質(zhì)邊坡及存在孔隙水壓力的復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，指出彈塑性折減有限元法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。國(guó)內(nèi)最早將強(qiáng)度折減法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析的是宋二祥，他采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并以邊坡中某一部位的位移作為收斂指標(biāo)［21］。此外，針對(duì)當(dāng)前強(qiáng)度折減彈塑性有限元法中存在的只對(duì)強(qiáng)度參數(shù)折減的問(wèn)題，鄭宏等［22］提出了應(yīng)同時(shí)考慮力學(xué)參數(shù)的影響，并給出了相應(yīng)的調(diào)整措施。

有限元強(qiáng)度折減法的優(yōu)點(diǎn)是不用預(yù)先假定滑動(dòng)面的形態(tài)、位置等，考慮了樁與土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，與實(shí)際情況相符，并且可以求解出應(yīng)力、位移等情況;缺點(diǎn)是評(píng)價(jià)塑性破壞的指標(biāo)未統(tǒng)一，基于迭代數(shù)值計(jì)算的終止條件不明確，且對(duì)于非連續(xù)介質(zhì)該方法不太實(shí)用，并存在一定誤差。

1．2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法就是把科學(xué)研究和實(shí)際工程中的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，再運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來(lái)模擬實(shí)際問(wèn)題，從而更為方便、迅速地探究其本質(zhì)和規(guī)律，目前數(shù)值模擬法已被廣泛應(yīng)用于抗滑樁邊坡加固工程研究中。常用的數(shù)值模擬軟件主要有ABAQUS、FLAC3D、ANSYS等。如邵安東等［23］釆用有限元差分軟件FLAC3D，以邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為主要的參數(shù)指標(biāo)，對(duì)抗滑樁加固邊坡的樁位優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明當(dāng)抗滑樁設(shè)置在滑坡中部時(shí)，樁的支護(hù)效果可以達(dá)到最佳;戎斌斌［24］運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)路塹和挖方公路邊坡中常見(jiàn)的滑坡進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，并選取弧形邊坡的斷面進(jìn)行了抗滑樁樁位的三維有限元分析，結(jié)果表明呈矩形分布的抗滑樁的最優(yōu)樁位處在弧形邊坡的中下部區(qū)域;Reddish等［25］對(duì)樁在不同布設(shè)位置的通用邊坡進(jìn)行了量綱數(shù)值分析，結(jié)果表明一種能夠提供遞增的穩(wěn)定性系數(shù)的穩(wěn)定力的簡(jiǎn)單模型需要結(jié)合另一種模型，可以通過(guò)此模型來(lái)限制排樁的相互作用，從而得到樁距比例對(duì)穩(wěn)定系數(shù)影響的直觀估計(jì)。

1．3 物理模型試驗(yàn)法

物理模型試驗(yàn)可以精確地控制邊坡的邊界條件、抗滑樁和巖土體的材料特性，因此在研究樁-土相互作用時(shí)具有針對(duì)性和目的性，同時(shí)物理模型試驗(yàn)也具有時(shí)效性，可以研究其穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律，還可用其結(jié)果驗(yàn)證理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。如余小馬［26］結(jié)合工程實(shí)例對(duì)抗滑樁滑坡推力和樁前滑體的抗力分布問(wèn)題以及抗滑樁合理位置確定問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比研究，實(shí)例研究表明:在抗滑樁設(shè)計(jì)中采用不同的滑坡推力和土體抗力分布形式時(shí)，對(duì)抗滑樁的內(nèi)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將產(chǎn)生較大的差異并影響其效果［26］;張濤等［27］通過(guò)開(kāi)展懸臂式單根錨桿抗滑樁加固黃土滑坡的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:在滑坡推力作用下，懸臂式錨桿抗滑樁受荷段樁后受壓、樁前受拉，而嵌固段樁后受拉、樁前受壓，錨桿抗滑樁受力形式呈“S”曲線狀;懸臂式錨桿抗滑樁的破壞模式主要為塑性鉸彎折破壞，而土體中錨桿的破壞模式主要為彎剪-滑移破壞。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于抗滑樁加固邊坡后的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的研究方法主要有理論計(jì)算、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)三個(gè)方面。在理論計(jì)算中，極限平衡法需要事先假定可能滑動(dòng)的滑動(dòng)面，采用條分的方法來(lái)逐條計(jì)算各條塊的受力，該方法原理簡(jiǎn)單，但并沒(méi)有考慮巖土體與樁的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，且引入的簡(jiǎn)化假定也與實(shí)際情況不符;極限分析法假定巖土體為理想的剛塑性體，應(yīng)滿足屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)準(zhǔn)則和小應(yīng)變假設(shè)，可找出最可能的滑動(dòng)面，但該法通常需要假定滑動(dòng)面的形態(tài);有限元強(qiáng)度折減法不用假定滑動(dòng)面的位置、形態(tài)等，考慮了巖土體的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，并且可以求解應(yīng)力、位移等情況，但該法評(píng)價(jià)塑性破壞的指標(biāo)不統(tǒng)一，對(duì)于非連續(xù)介質(zhì)也不太實(shí)用。相比于理論計(jì)算，數(shù)值模擬法和物理模型試驗(yàn)法可以獲得更多的有關(guān)受力、位移等的真實(shí)情況，但數(shù)值模擬法不能很好地考慮樁與土之間的相互作用且該法往往依賴(lài)于數(shù)值計(jì)算技術(shù)，過(guò)程較復(fù)雜;物理模型試驗(yàn)法不僅很好地考慮了樁與土的相互作用，且具有時(shí)效性，能對(duì)理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 抗滑樁樁位布設(shè)優(yōu)化研究進(jìn)展

目前關(guān)于抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得一些成果，但關(guān)于抗滑樁的樁位布設(shè)優(yōu)化方面成果并不多且得出的結(jié)論也有所差異。抗滑樁的樁位布設(shè)不僅會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性，還會(huì)影響抗滑樁的設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，從而對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生影響，因此有必要對(duì)抗滑樁的樁位布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出合理布設(shè)的位置。本文認(rèn)為抗滑樁的最優(yōu)布設(shè)位置是指將邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)提高到設(shè)計(jì)安全系數(shù)時(shí)抗滑樁所需提供的抗滑力取得最小值的位置;最安全布設(shè)位置是指使邊坡取得最大穩(wěn)定性系數(shù)的位置。目前常用的抗滑樁最優(yōu)布設(shè)分析方法主要有極限平衡法、極限分析法、有限元強(qiáng)度折減法、數(shù)值模擬法、物理模型試驗(yàn)法等。

2．1 極限平衡法

極限平衡法在抗滑樁樁位優(yōu)化中被廣泛應(yīng)用，其通過(guò)研究抗滑樁加固邊坡時(shí)所提供的抗滑力和穩(wěn)定安全系數(shù)等可以對(duì)抗滑樁的樁位進(jìn)行優(yōu)化，得出抗滑樁最優(yōu)布設(shè)位置和最安全布設(shè)位置等。如Ito等［12］研究表明:當(dāng)抗滑樁的樁位位于邊坡中上部時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響最大;Poulos［28］研究指出，應(yīng)將抗滑樁樁位布設(shè)于臨界破壞楔體中部附近，以此來(lái)避免僅僅將破壞面定在樁的前面或后面;Lee等［29］通過(guò)運(yùn)用簡(jiǎn)化的Bishop滑動(dòng)圓弧法計(jì)算得出:對(duì)于均質(zhì)土坡，最有效的布設(shè)樁位是坡頂和坡腳處，對(duì)于下伏硬巖、上部為軟巖的雙層土坡，最有效的布設(shè)樁位應(yīng)位于邊坡中部與坡頂之間;Hassiotis等［30］通過(guò)運(yùn)用莫爾圓方法和公式計(jì)算得出，抗滑樁布設(shè)的最安全位置為邊坡的坡頂附近，特別是邊坡很陡的情況;王亮清等［31］基于剩余推力法，以湖北省巴東縣宋家屋場(chǎng)滑坡為例，提出用“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法”來(lái)確定抗滑樁的樁位，研究表明:抗滑樁布設(shè)在滑坡體中部時(shí)的彎矩和剪力比較小，即工程量和工程所需成本較小，此位置即為抗滑樁的合理布設(shè)位置;李家平等［32］介紹了一種基于瑞典法和簡(jiǎn)化Bishop法來(lái)分析抗滑樁加固邊坡的極限平衡法，通過(guò)與某閘室岸坡工程算例結(jié)合，得到如下結(jié)論:①抗滑樁的布設(shè)能夠有效地提高邊坡的穩(wěn)定性;②當(dāng)抗滑樁的布設(shè)通過(guò)邊坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面最低點(diǎn)時(shí)，其加固邊坡的效果最好;③抗滑樁的布設(shè)會(huì)改變邊坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置。

運(yùn)用極限平衡法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，其主要存在如下問(wèn)題:①引入的簡(jiǎn)化假定與實(shí)際的抗滑樁的受力、位移等情況不符;②不同的假定滑動(dòng)面情況下，抗滑樁的合理受力形式并沒(méi)有明確地給出;③對(duì)于事先假定的滑動(dòng)面的選擇和巖土條塊的劃分目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但由于極限平衡法原理簡(jiǎn)單，且求解出的結(jié)果滿足工程應(yīng)用的要求，因此該方法目前仍是實(shí)際工程中研究抗滑樁樁位優(yōu)化問(wèn)題的常用方法。

2．2 極限分析法

除了運(yùn)用極限平衡法之外，很多研究者采用了極限分析法來(lái)進(jìn)行抗滑樁邊坡加固工程的優(yōu)化。如Ausilio等［33］通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)的極限分析法，分析了用抗滑樁加固土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明:抗滑樁的最優(yōu)布設(shè)位置在近坡腳處，在穩(wěn)定系數(shù)相同的情況下，此時(shí)抗滑樁的受力取得最小值，此外當(dāng)抗滑樁布設(shè)在邊坡中部到坡腳范圍內(nèi)時(shí)，抗滑樁對(duì)穩(wěn)定邊坡更有效;Nian等［34］通過(guò)極限分析得出:抗滑樁的最優(yōu)布設(shè)位置位于邊坡的坡腳處，此時(shí)抗滑樁在滿足相同穩(wěn)定安全系數(shù)的條件下受力最小;Li等［18］運(yùn)用極限分析上限定理和Ito等［12］提出的塑性理論來(lái)計(jì)算抗滑樁提供的水平向抗滑力，并對(duì)抗滑樁的合理布設(shè)位置進(jìn)行了研究，并指出:當(dāng)抗滑樁提供的抗滑力足夠大時(shí)，最有效的布設(shè)位置是靠近坡頂?shù)奈恢茫紤]抗滑樁能提供的抗滑力與所需提供的抗滑力的關(guān)系時(shí)，最合適的布設(shè)位置與設(shè)計(jì)的穩(wěn)定安全系數(shù)有關(guān)，最安全的布設(shè)位置是邊坡的中上部區(qū)域;Li等［35］考慮抗滑樁加固邊坡的土拱效應(yīng)和強(qiáng)度折減技術(shù)，運(yùn)用極限分析法對(duì)堆積層滑坡中抗滑樁的合理布設(shè)范圍進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:抗滑樁的布設(shè)存在一個(gè)合理的布設(shè)范圍，在同一截面上，根據(jù)樁的受力情況，抗滑樁布設(shè)應(yīng)從中間向兩邊由密到疏。

目前運(yùn)用極限分析法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，其主要存在如下問(wèn)題:①計(jì)算求解過(guò)程復(fù)雜，有時(shí)上、下限法得出的上、下限解相差太大，影響實(shí)際工程運(yùn)用可信度;②事先假定的滑動(dòng)面的形態(tài)較少，且與實(shí)際滑面形態(tài)有差別;③目前尚很少考慮抗滑樁的滑面以下部分的受力等情況及其對(duì)樁位優(yōu)化的影響。由于極限分析法假定邊坡巖土體為理想彈塑性體，應(yīng)滿足小應(yīng)變假設(shè)，因此該方法主要用于抗滑樁加固未明顯滑動(dòng)的邊坡問(wèn)題分析中。

2．3 有限元強(qiáng)度折減法

目前有限元強(qiáng)度折減法是比較常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，它通過(guò)不斷降低巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)，此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。如韋立德等［36］針對(duì)抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性優(yōu)化問(wèn)題，釆用抗剪強(qiáng)度折減彈塑性有限元法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在坡腳和坡頂水平且?guī)r土體材料是各向同性的邊坡中，如釆用單排抗滑樁加固，則抗滑樁布設(shè)在邊坡中部時(shí)最有利于提高邊坡的穩(wěn)定性，且增大抗滑樁的密度比增大樁徑更能有效地提高邊坡穩(wěn)定性;雷文杰等［37］采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)單排樁、樁間距為4 m的抗滑樁加固滑坡的樁位進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明:當(dāng)抗滑樁設(shè)置在不同的位置時(shí)，滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)是不同的，滑動(dòng)面的位置和形狀也相差各異;在穩(wěn)定安全系數(shù)相同的情況下，當(dāng)抗滑樁位于斜坡中部時(shí)所受的滑坡推力、內(nèi)力最大，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在中部設(shè)置抗滑樁是不合理的;抗滑樁設(shè)置在斜坡中部時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)最高，靠近兩端時(shí)斜坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律大致相同;當(dāng)抗滑樁設(shè)置在斜坡中下部時(shí)，滑動(dòng)面為在樁頂或斜坡上部某位置越頂滑出，當(dāng)抗滑樁設(shè)置在斜坡上部時(shí)，滑動(dòng)面沿樁前土體滑出;譚捍華等［38］基于強(qiáng)度折減技術(shù)和巖土塑性極限分析理論，從能量法的角度研究了巖土邊坡抗滑樁加固位置、樁長(zhǎng)和多抗滑樁共同加固邊坡的分析方法，結(jié)果表明:抗滑樁布設(shè)位置的改變對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)、臨界滑裂面位置和樁長(zhǎng)均有顯著影響，抗滑樁加固邊坡的最優(yōu)布設(shè)位置應(yīng)位于邊坡中下部區(qū)域;鄒盛堂等［39］采用彈塑性有限元強(qiáng)度折減法對(duì)抗滑樁加固土坡進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，并且考慮了樁-土相互作用，研究了邊坡潛在危險(xiǎn)滑動(dòng)面和穩(wěn)定性系數(shù)與抗滑樁樁位的關(guān)系，結(jié)果表明:對(duì)于均質(zhì)土坡，在滑面未知的情況時(shí)抗滑樁宜設(shè)置于邊坡中部偏下［39］。

運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，其存在的主要問(wèn)題是評(píng)價(jià)抗滑樁加固邊坡后的塑性破壞的指標(biāo)目前尚不統(tǒng)一，對(duì)于非連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題該法不太適用，但相對(duì)前兩種理論計(jì)算方法，該方法由于不需要事先假定滑面形態(tài)，且較好地考慮了巖土體的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，因此仍是常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法之一。

2．4 數(shù)值模擬法

Cai等［40］通過(guò)三維有限元軟件分析得出:抗滑樁應(yīng)布設(shè)在坡體中部位置，以獲得最大的穩(wěn)定安全系數(shù);Bellezza等［41］分析了被單排抗滑柱加固的雙層土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明:在不同的土體抗剪強(qiáng)度情況下，邊坡穩(wěn)定性分析樁位也不同，最優(yōu)樁位即是加固邊坡取得最大穩(wěn)定安全系數(shù)的位置;Won等［42］通過(guò)有限差分法FLAC3D軟件分析得出:當(dāng)抗滑樁布設(shè)于邊坡中部時(shí)，作用在樁上的壓力取得最大值，同時(shí)抗滑樁加固的邊坡也可以取得最大的穩(wěn)定安全系數(shù);夏永成［43］對(duì)抗滑樁的合理位置運(yùn)用ABAQUS軟件和Geoslope軟件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:抗滑樁加固邊坡能有效地提高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，在邊坡中部附近設(shè)置抗滑樁能使加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到最大;Wei等［44］通過(guò)運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)單排樁加固的邊坡進(jìn)行了分析，在樁距很短時(shí)將邊坡的臨界滑動(dòng)面分成了兩部分，結(jié)果表明:隨著樁距的增長(zhǎng)，臨界滑動(dòng)面漸漸清晰地形成;邊坡中單排樁的最優(yōu)樁位在邊坡中部和臨界滑動(dòng)面中部之間;董必昌等［45］提出一種對(duì)邊坡進(jìn)行有限元分析，找出位移最大的位置，在此設(shè)置抗滑樁并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)的抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)證該方法所得結(jié)果相對(duì)傳統(tǒng)配筋設(shè)計(jì)方法更合理;Li等［46］利用FLAC2D軟件對(duì)單排樁樁位及其分布對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了評(píng)估，并將數(shù)值分析結(jié)果與簡(jiǎn)化Bishop法等進(jìn)行了比較，結(jié)果表明:樁土相互作用顯著地影響了邊坡穩(wěn)定性，當(dāng)抗滑樁位于邊坡的中部時(shí)可以取得最大的穩(wěn)定安全系數(shù)，即最優(yōu)樁位;年廷凱等［47］采用強(qiáng)度折減有限元程序通過(guò)三維數(shù)值模擬研究了抗滑樁-邊坡體系的計(jì)算模型尺度、設(shè)樁位置等對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明:抗滑樁的最安全位置為邊坡中部。

運(yùn)用數(shù)值模擬法研究抗滑樁位優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，可以較直觀地展示巖土體與樁的應(yīng)力、位移等情況和滑動(dòng)面的形成發(fā)展過(guò)程，并可以對(duì)所研究的問(wèn)題通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果;但該方法的缺點(diǎn)是不能很好地考慮抗滑樁與邊坡巖土體的相互作用，且計(jì)算結(jié)果的精度依賴(lài)于數(shù)值計(jì)算技術(shù)。

2．5 物理模型試驗(yàn)法

高長(zhǎng)勝等［48］通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)不同樁位與樁頭條件下釆用抗滑樁加固邊坡的變形破壞特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:抗滑樁設(shè)在邊坡中部以及樁頭固定情況下對(duì)邊坡土體的遮擋效果最佳，同時(shí)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)可達(dá)到最大值;李榮建等［49］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了在地震作用下不同加固位置的抗滑樁的動(dòng)力響應(yīng)和邊坡變形情況，結(jié)果表明:采取較高的加固位置可以有效地發(fā)揮抗滑樁的抗彎承載能力，并有利于抑制坡頂沉降和坡頂建筑物的穩(wěn)定;雖然加固于邊坡中部的抗滑樁承載能力發(fā)揮略小，但對(duì)抑制坡底變形和防止局部失穩(wěn)有明顯促進(jìn)作用，從而能有效地保護(hù)邊坡底部建筑物;楊光華等［50］通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)對(duì)推移式、牽引式和復(fù)合式三種形式滑坡進(jìn)行了分析，研究了不同樁位的穩(wěn)定安全系數(shù)的大小與坡體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的關(guān)系，結(jié)果表明:推移式滑坡的最優(yōu)樁位在坡體的上部，牽引式滑坡的最優(yōu)樁位在坡體下部，復(fù)合型滑坡的最優(yōu)樁位在坡內(nèi)應(yīng)力水平和位移較大的位置上;徐駿等［51］采用室內(nèi)模型試驗(yàn)方法對(duì)已知滑面的折線形滑坡的雙排樁推力分擔(dān)規(guī)律進(jìn)行了研究，并指出改變樁排間距、樁頂埋深能有效地改善雙排樁滑坡推力分擔(dān)比例［51］。

運(yùn)用物理模型試驗(yàn)法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問(wèn)題，物理模型與實(shí)際的工況具有很好的可比性，可以更好地考慮樁與土的作用，且具有時(shí)效性，因此可采用此方法對(duì)理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，但應(yīng)用該法時(shí)需考慮尺寸效應(yīng)的影響。

3 存在的問(wèn)題及研究展望

綜上所述，對(duì)于抗滑樁加固邊坡后的穩(wěn)定性研究成果較多，研究方法主要有極限平衡法、極限分析法、強(qiáng)度折減法、數(shù)值模擬法和物理模型試驗(yàn)法。然而針對(duì)抗滑樁的合理樁位優(yōu)化問(wèn)題，雖然許多學(xué)者采用了許多方法從多方面進(jìn)行了研究，但總的來(lái)說(shuō)尚未形成一個(gè)完整的體系，本文認(rèn)為還應(yīng)該從以下方面進(jìn)行更深入的研究:

(1)在抗滑樁邊坡加固工程中，很多理論都是基于抗滑樁是完全剛性或其承載力足夠大，但實(shí)際工程中抗滑樁并不是完全剛性的，并且其承載能力有限，因此在進(jìn)行抗滑樁邊坡加固工程中有必要考慮樁體本身的性質(zhì)。

(2)目前對(duì)抗滑樁的樁位優(yōu)化問(wèn)題研究大多數(shù)只是集中于單排樁加固邊坡的情況，然而實(shí)際上對(duì)于大型邊坡，如果單排樁加固后仍不能滿足安全的要求，則需要對(duì)其進(jìn)行雙排樁加固，但實(shí)際工程中已廣泛采用的雙排樁甚至多排樁加固邊坡的樁位優(yōu)化問(wèn)題尚未進(jìn)行深入研究，因此對(duì)雙排樁或多排樁邊坡加固工程進(jìn)行研究，則更符合實(shí)際工程情況。

(3)針對(duì)不同幾何形態(tài)的的邊坡加固工程，抗滑樁布設(shè)樁位優(yōu)化問(wèn)題的研究較少，實(shí)際工程中的邊坡形狀變化較大，并不單一，而目前針對(duì)此類(lèi)邊坡抗滑樁的樁位優(yōu)化研究的理論知識(shí)還不夠成熟，有待深入研究。

(4)在地震頻發(fā)的地區(qū)，地震對(duì)邊坡會(huì)產(chǎn)生顯著的破壞效應(yīng)，降低邊坡的穩(wěn)定性，給工程建筑帶來(lái)安全隱患，而目前關(guān)于地震作用下抗滑樁的樁位優(yōu)化研究較少，對(duì)該方面的研究將具有重要意義。

(5)目前對(duì)于抗滑樁加固工程的研究沒(méi)有考慮巖床的多層性，而實(shí)際工程中巖床可能是多層，如三峽地區(qū)侏羅系地層為軟硬夾層，研究抗滑樁樁位優(yōu)化時(shí)如果能考慮下伏巖床的巖性及巖層夾層，則會(huì)更具有工程實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

［1］Li X P，He S M，Wang C H．Stability analysis of slopes reinforced with piles using limit analysis method［J］．Journal of Neural Engineering，2014，9(151):105-112．

［2］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等．邊坡與滑坡工程治理［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［3］Fellenius W．Calculation of stability of earth dams［C］//Trans．2nd Cong．on Large Dams．Washington D．C．，1936，4:445-459．

［4］Bishop A W．The use of the slip circle in the stability analysis of slops［J］．Géotechnique，1955，5(1):7-17．

［5］Morgenstern N R，Price V E．The analysis of the stability of general slip surfaces［J］．Géotechnique，1965，15(1):79-93．

［6］Spencer E．A method of analysis of the stability of embankments assuming parallel inter-slice forces［J］．Géotechnique，1967，17(1): 11-26．

［7］Spencer E．Thrust line criterion in embankment stability analysis［J］．Géotechnique，1973，23(1):85-100．

［8］Sarma S K．Stability analysis of embankments and slopes［J］．Géotechnique，1973，23(3):423-433．

［9］Janbu N．Slope stability computation［M］//Hirschfield R C，Poulos S J．Embankment-dam Engineering．New York:John Wiley＆Sons，Incorporated，1973:47-86．

［10］錢(qián)家歡，殷宗澤．土工原理與計(jì)算［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，1996．

［11］鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院．抗滑樁設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1983．

［12］Ito T，Matsui T．Methods to estimate lateral force acting on stabilizing piles［J］．Soils and Foundations，1975，15(4):43-59．

［13］Ito T，Matsui T，Hong W P．Design method for the stability analysis of the slope with landing pier［J］．Soils and Foundations，1979，19 (4):43-57．

［14］穆啟超，王萬(wàn)遷，蔡鐵剛．四川地震災(zāi)區(qū)某滑坡穩(wěn)定性分析及治理工程方案比選［J］．安全與環(huán)境工程，2011，18(4):11-16．

［15］何丹．邊(滑)坡加固的抗滑樁樁位優(yōu)化分析［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2013．

［16］汪承亮．極限分析法在邊坡穩(wěn)定分析及擋土墻土壓力計(jì)算中的應(yīng)用［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

［17］Chen W F．Limit Analysis and Soil Plasticity［M］．Amsterdam: Elsevier Science，1975．

［18］Li X P，Pei X J，Gutierrez M．Optimal location of piles in slope stabilization by limit analysis［J］．Acta Geotechnica，2012，7(3):253-259．

［19］Zienkiewicz O C，Humpheson C，Lewis R W．Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics［J］．Géotechnique，1975，25(4):671-689．

［20］Ugai K．A method of calculation of total safety factor of slope by elasto-plastic FEM［J］．Soils and Foundations，1989，29(2):190-195．

［21］宋二祥．土工結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的有限元計(jì)算［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19(2):1-7．

［22］鄭宏，李春光，李焯芬，等．求解安全系數(shù)的有限元法［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(5):626-628．

［23］邵安東．用強(qiáng)度折減法對(duì)抗滑樁支護(hù)邊坡的優(yōu)化分析［D］．北京:北京交通大學(xué)，2009．

［24］戎斌斌．邊坡抗滑樁空間優(yōu)化布置與安全監(jiān)測(cè)［D］．杭州:浙江大學(xué)，2010．

［25］Reddish D J，Ellis E A，Durrani I K．Numerical modelling of discrete pile rows for slope stability and generic guidance for design［J］．Géotechnique，2010，60(3):185-195．

［26］余小馬．滑坡治理中抗滑樁設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題的探討［J］．城市勘測(cè)，2003，(1):15-21．

［27］張濤，門(mén)玉明，石勝偉，等．懸臂式單錨抗滑樁加固黃土滑坡的模型試驗(yàn)［J］．安全與環(huán)境工程，2015，22(3):151-157．

［28］Poulos H G．Design of reinforcing piles to increase slope stability［J］．Canada Geotech，1995，32(5):808-818．

［29］Lee C Y，Hull T S，Poulos H G．Simplified pile-slope stability analysis［J］．Computers and Geotechnics，1995，17(1):l-16．

［30］Hassiotis S，Chameau J L，Gunaratne M．Design method for stabilization of slopes with piles［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1997，123(4):314-323．

［31］王亮清，梁燁，唐輝明．一種確定抗滑樁樁位的方法一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法［J］．鐵道建筑，2004(10):64-65．

［32］李家平，賴(lài)允瑾，李永盛，等．利用抗滑樁加固臨水坡岸的邊坡穩(wěn)定性分析水利［J］．水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2005(2):53-58．

［33］Ausilio E，Conte E，Dente G．Stability analysis of slope reinforced with piles［J］．Computers and Geotechnics，2001，28(8):591-611．

［34］Nian T K，Chen G Q，Luan M T，et al．Limit analysis of the stability of slopes reinforced with piles against landslide in nonhomogeneous and anisotropic soils［J］．Canadian Geotechnical Journal，2008，45 (8):1092-1103．

［35］Li C D，Wu J J，Tang H M，et al．A novel optimal plane arrangement of stabilizing piles based on soil arching effect and stability limit for 3D colluvial landslides［J］．Engineering Geology，2015，195:236-247．

［36］韋立德，楊春和，高長(zhǎng)勝．基于三維強(qiáng)度折減有限元的抗滑樁優(yōu)化探討［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(11):1350-1352．

［37］雷文杰，鄭穎人，馮夏庭．滑坡治理中抗滑樁樁位分析［J］．巖土力學(xué)，2006，27(6):950-954．

［38］譚捍華，趙煉恒，李亮，等．抗滑樁預(yù)加固邊坡的能量分析方法［J］．巖土力學(xué)，2011(S2):190-197．

［39］鄒盛堂，戴自航．抗滑樁加固土坡效果及合理樁位的三維有限元分析［J］．福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(5):664-669．

［40］Cai F，Ugai K．Numerical analysis of the stability of a slope reinforced with piles［J］．Soils and Foundations，2000，40(1):73-84．

［41］Bellezza I，Pasqualini E．Parametric study of the stability of slopes reinforced with piles［C］//Proceedings of the16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，2005，76:1319-1322．

［42］Won J，You K，Jeong S，et al．Coupled effects in stability analysis of pile-slope systems［J］．Computers and Geotechnics，2005，32(4): 304-315．

［43］夏永成．考慮樁-土相互作用的抗滑樁加固邊坡設(shè)計(jì)方法研究［D］．大連:大連理工大學(xué)，2006．

［44］Wei W B，Cheng Y M．Strength reduction analysis for slope reinforced with one row of piles［J］．Computers and Geotechnics，2009，36 (7):1176-1185．［45］董必昌，舒陶浪，安新強(qiáng)，等．邊坡抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2010，34(6):1138-1140，1145．

［46］Li X P，He S M，Luo Y，et al．Numerical studies of the position of piles in slope stabilization［J］．Geomechanics＆Geoengineering，2011，6(3):209-215．

［47］年廷凱，徐海洋，劉紅帥．抗滑樁加固邊坡三維數(shù)值分析中的幾個(gè)問(wèn)題［J］．巖土力學(xué)，2012，33(8):2521-2526，2535．

［48］高長(zhǎng)勝，魏汝龍，陳生水．抗滑樁加固邊坡變形破壞特性離心模型試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(1):145-148．

［49］李榮建，于玉貞，李廣信．土質(zhì)邊坡中部與項(xiàng)部抗滑樁動(dòng)力響應(yīng)和邊坡變形比較［J］．山地學(xué)報(bào)，2010，28(2):135-140．

［50］楊光華，鐘志輝，張玉成，等．根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)判斷滑坡的破壞類(lèi)型及最優(yōu)加固位置確定［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(9):1879-1887．

［51］徐駿，李安洪，肖世國(guó)．折線型滑面滑坡樁排推力分布規(guī)律研究［J］．巖土力學(xué)，2012，33(11):3479-3488．

Research Progress of the Stability Evaluation of Slope Reinforced with Stabilizing Piles and Optimization of Pile Location

SONG Yingjie，CHEN Wenqiang，LI Changdong
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

The collapse of slope is a common geological problem greatly affecting the safety of human engineering construction activity．One of the most commonly used prevention and control measures in slope treatment projects is stabilizing piles．However，there has been few researches on the evaluation of slopes reinforced with piles so far．This paper is to summarize and analyze the researches on stability evaluation of slopes reinforced with piles and optimization of the location for stabilizing piles．The paper mainly reviews the approaches of stability analysis of slopes reinforced with stabilizing piles in the achievements in theoretical calculation，numerical simulation and physical tests and compares their advantages and disadvantages．Then the paper summarizes and analyzes the common methods of optimizing the stabilizing pile location and applicable conditions．At last，the paper points out the development direction for future research，which may provide reference for similar research in future．

slope;stabilizing pile;stability analysis;optimization of pile location

X43;P642．22;TU457

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．007

1671-1556(2016)05-0043-07

李長(zhǎng)冬(1981—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與地質(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:lichang-dong2004@163．com

2016-05-31

2016-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472261);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(騰飛計(jì)劃)(CUG150621)

宋英杰(1993—)，男，本科生，主要研究方向?yàn)檫吰路乐巍-mail:13071257196@163．com