基于有限元強度折減法的抗滑樁設計

付君宜++楊光玉

摘 要：有限元強度折減法因其具有和極限平衡法相一致的安全系數定義而廣泛用于巖土工程中。目前Plaxis中的強度折減計算采用的弧長法可以認為精確捕捉到結構破壞時的極限狀態，這里以抗滑樁設計為例，借助Plaxis介紹有限元強度折減法在抗滑樁設計中的應用。

關鍵詞：有限元強度折減法；抗滑樁；Plaxis

0 引言

邊坡穩定性分析及治理是巖土工程中的經典問題[1]，隨著我國西南地區的經濟發展，邊坡問題越來越受到關注。邊坡常用治理方法包括坡面掛網噴射混凝土面層，格構錨索支護，擋墻支護，抗滑樁支護等，其中抗滑樁具有造價低廉，施工便捷，抗滑能力較好等優點廣泛應用于實際工程中[2]。

1 有限元強度折減法

對比極限平衡法，有限元強度折減法國內起步較晚，宋二祥1997年[3]首次討論并發展了用于求解土工結構安全系數的有限元強度折減法。該方法適用于各種復雜土層及水位條件，計算簡便易行，速度快穩定性好，因此被國內學者廣泛采用。傳統的邊坡穩定性分析方法極限平衡法需要事先假定滑裂面，通過迭代得到最危險滑裂面；而有限元強度折減法不需要假定滑裂面，也不需要迭代計算，通過折減土體內聚力c和內摩擦角φ，最終捕捉到邊坡破壞時的極限強度值，其對安全系數的定義方式與極限平衡法相一致，這也使得該方法可以直接用于實際工程設計[4]。

2 計算分析

2.1 原始邊坡穩定性分析

某邊坡高20m，寬度28m，表層覆蓋有碎石土，下部為中風化灰巖，利用Plaxis2016建立有限元模型圖1a所示，碎石土采用土體硬化模型，γ=22kN/m3，c=5kN/m3，φ=35°；灰巖采用摩爾庫倫模型，γ=25kN/m3，c=1410kN/m3，φ=35°。

對邊坡進行有限元強度折減分析，如圖1b所示，潛在滑裂面基本沿著碎石土與灰巖交界面滑動，此時安全系數為1.149，無法滿足規范要求。

2.2 抗滑樁邊坡穩定性分析

將邊坡坡腳部分土體挖去形成路基，路基旁設置抗滑樁如圖2a所示。抗滑樁采用Plaxis中的Embedded beam row結構單元來模擬，為邊長2m的正方形截面方樁，間距為5m，彈性模量為E=30GPa。

對模型進行強度折減計算，計算所得滑裂面如圖2b所示，趨于破壞時潛在滑裂面較為設置抗滑樁時位置靠上，抗滑樁附近的支護效果良好，此時安全系數1.366滿足規范要求。

抗滑樁內力如圖3所示。

3 結論

有限元法在處理巖土工程問題時具有先天不足，相較于結構工程的人工材料，巖土材料的各向異性使得有限元計算結果不一定很準確，但是有限元強度折減法具有和極限平衡法相一致的安全系數定義方式，其在處理復雜地質條件問題時具有極強的適應性，未來會被更多的巖土工程人員所接受。

基金項目：貴州省科技計劃項目（黔科合SY字（2014）3086）；貴州省科技計劃項目（黔科合機字[2011]4002號）