采用折減法分析抗滑樁對土質穩定性影響

喬恩春

（新疆維吾爾自治區昌吉回族州昌吉市三屯河流域管理處，新疆 昌吉 831100）

采用折減法分析抗滑樁對土質穩定性影響

喬恩春

（新疆維吾爾自治區昌吉回族州昌吉市三屯河流域管理處，新疆 昌吉 831100）

通過安全系數確定抗滑樁的最優加固位置，計算了抗滑樁承受的最大剪力和最大彎矩，從而確定抗滑樁的最優加固部位。結果表明：低位抗滑樁加固效果最好，穩定安全系數提高了18%，此時抗滑樁承受的剪力和彎矩最大，邊坡破壞時，滑裂面位于抗滑樁底部，抗滑樁保持完好。計算結果對類似邊坡工程中抗滑樁的優化設計有一定參考價值。

抗滑樁；局部強度折減法；邊坡；安全系數

抗滑樁是邊坡工程中常采用的加固措施之一，具有施工簡單、工程量少和投資小等優點，應用較為廣泛。抗滑樁對滑坡體的作用機理是利用抗滑樁插入滑動面以下的穩定地層對樁的抗力來平衡滑坡體的推力，增加邊坡的整體穩定性［1-3］。

近年來，國內大量專家學者針對抗滑樁在邊坡工程中的運用進行了大量研究，并取得了豐碩成果。鄭穎人等［4］針對抗滑樁加固邊坡設計中抗滑樁內力進行計算分析，確定了合理的抗滑樁樁長；李榮建等［5］通過建立抗滑樁室內試驗模型，研究了地震作用下土質邊坡中部與頂部抗滑樁作用下邊坡的變形特征；張璐等［6］基于點安全系數基本理論，分析了不同屈服準則對確定滑動面位置的影響，研究了抗滑樁不同埋深時潛在滑動面的變化趨勢和邊坡變形特點；樓金其［7］采用抗剪強度折減有限元法，利用FLAC3D對含有抗滑樁的邊坡進行三維數值有限元計算，從安全系數、位移量、最大不平衡力、剪切應變增量及速度矢量等參數分析抗滑樁對邊坡的加固效果。

目前，已有的抗滑樁研究均未考慮抗滑樁加固位置對邊坡穩定性的影響。本文基于有限元局部強度折減法，采用樁單元模擬抗滑樁，對土質邊坡進行抗滑樁加固數值模擬分析，比較分析不同抗滑樁加固位置邊坡的滑裂面，通過安全系數確定抗滑樁的最優加固位置，并分析抗滑樁剪力和彎矩分布情況，以此確定抗滑樁最優加固部位。

1 局部強度折減法簡介

目前，邊坡的穩定性分析主要包括剛體極限平衡法和數值分析法。其中，剛體極限平衡法主要包括瑞典條分法、Bishop條分法和Sarma法等。剛體極限平衡法的基本出發點是把巖塊視為一個剛體，剛體是一種理想模型，在運動中和受力作用后，形狀和大小不變，為了便于計算需提前作一些假定，比如忽略了巖土體之間的應力應變關系，因而這種建立在剛體極限平衡理論上的穩定分析方法無法定量分析邊坡在失穩過程中巖體的應力應變特性，在真實邊坡穩定性計算中存在不足。相對于極限平衡法，數值分析方法不需要事先假定危險滑裂面，可以自動計算最危險的位置，并能夠比較好地處理巖體的不連續性、不均勻性、各向異性等特性。數值分析法能夠得到邊坡的應力、應變和位移變化情況，可模擬邊坡工程中巖體開挖和加固結構之間的相互作用，還可以預測滑坡的破壞規模及滑坡運動后期演化趨勢，對于防災減災工程建設具有重大意義。

數值分析法計算邊坡穩定主要是采用了有限元強度折減法，即通過不斷降低邊坡巖體抗剪強度參數，將巖土體的真實抗剪強度（一般指黏聚力和內摩擦角）除以一個折減系數F，直到有限元計算不收斂為止，根據有限元計算結果可得到邊坡危險滑動面，此時的折減系數為邊坡的安全系數［7，8］，此法由于計算原理簡單，結果可靠，已經廣泛用于邊坡的穩定性計算中。其計算公式為：

式中 c和φ為巖土體真實的黏聚力和內摩擦角；c′和φ′為經過折減后的黏聚力和內摩擦角。

分析可知，有限元強度折減法考慮了對所有巖土體單元強度折減，與實際不相符合。為更加準確地描述邊坡的破環過程，本文采用只對滑裂面強度參數進行折減的局部強度折減法，即在對土質邊坡進行穩定性分析過程中，僅通過不斷折減滑裂面的面巖土力學參數達到不穩定狀態計算安全系數，計算過程中其余部位巖體力學參數保持不變。

2 計算模型及計算參數

為分析相同巖土體條件下不同抗滑樁位置對邊坡穩定性的影響，建立了二維土質邊坡模型，其中土質邊坡模型為均質土坡，土體材料為粉質黏土（如圖1為Ⅲ類巖體）。計算模型長100m，寬60m，邊坡坡高45m，坡角34°，巖體物理力學參數如表1。

圖1 土質邊坡模型

表1 邊坡巖體力學參數

模型中抗滑樁采用樁單元模擬，選用彈性材料，主要參數包括軸向剛度EA和抗彎剛度EI，軸向剛度EA表示為抗滑樁單位寬度受力（kN/m），抗彎剛度EI表示單位寬度力乘長度的平方（kN·m2/m）。根據EI對EA的比值，可按式（3）自動計算出抗滑樁等效厚度d：

計算模型中抗滑樁長均取20m，軸向剛度EA為2.1×106kN/m，抗彎剛度EI為3.74×105kN·m2/m，根據式（3）換算可得抗滑樁等效直徑d為1.5m，泊松比取0.2。抗滑樁與邊坡巖體之間的相互作用采用接觸單元模擬，摩擦系數取0.38。

3 邊坡穩定性計算結果

圖2 不同樁位加固土質邊坡危險滑裂面

為分析土質邊坡模型中，抗滑樁不同加固位置對邊坡穩定性的影響，圖2給出了抗滑樁不同樁位邊坡的危險滑裂面。其中圖2（a）為土質邊坡自然狀態下的危險滑裂面，計算得到邊坡穩定安全系數僅為1.01，穩定性較差，需進行加固處理。圖2（b，c，d）分別為邊坡采用高位、中位和低位抗滑樁加固后土坡的危險滑裂面，明顯看出，加固后的滑裂面為通過抗滑樁底部的一個圓弧面，此時抗滑樁保持完整，并未破壞。

圖2（b，c，d）3種樁位加固后土坡的安全系數（Fs）分別為1.04，1.06，1.19，說明高位樁和中位樁加固效果較差，而低位抗滑樁加固效果最好，安全系數提高了18%。究其原因，分析圖2（d）可知，是由于低位抗滑樁樁體有效長度更長，樁體插入原始坡體的危險滑裂面以下一定深度內，抗滑樁能有效的平衡邊坡自然狀態下滑坡體的下滑力，樁體抗滑力充分發揮了作用，有效地提高了邊坡的整體穩定性。

表2中給出了土質邊坡中抗滑樁不同加固位置樁體的最大剪力和最大彎矩，分析可得，高位樁的最大剪力和最大彎矩最小，其次是中位樁，而低位樁承受了最大剪力和最大彎矩，分別為571kN和1040kN·m，說明低位樁加固效果最好，與上述安全系數分析結果相同，計算結果符合實際工程。

表2 不同樁位最大剪力和最大彎矩

4 結語

采用數值分析法定量研究了抗滑樁不同加固部位對土質邊坡穩定性的影響，得到了不同加固抗滑樁加固位置邊坡的潛在滑裂面，通過安全系數確定抗滑樁的最優加固位置，并結合抗滑樁承受的最大剪力和彎矩情況，確定了抗滑樁最優加固位置。結果表明：土質邊坡采用低位樁加固效果最好，穩定安全系數可提高18%，此時抗滑樁承受的剪力和彎矩最大，邊坡破壞時，滑裂面位于抗滑樁底部，抗滑樁保持完好。

［1］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.

［2］皺麗春，王國進，湯獻良，等.復雜高邊坡整治理論與工程實踐［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］雷文杰，鄭穎人，馮夏庭.滑坡加固系統中沉埋樁的有限元極限分析研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（1）：27-33.

［4］鄭穎人，雷文杰，趙尚毅，等.抗滑樁設計中的兩個問題［J］.公路交通科技，2005，22（6）：45-51.

［5］李榮建，于玉貞，李廣信.土質邊坡中部與頂部抗滑樁動力響應和邊坡變形比較［J］.山地學報，2010，28（2）：135-140.

［6］張璐，任旭華，張繼勛，等.考慮抗滑樁埋深的邊坡抗滑機理研究［J］.水電能源科學，2012，30（4）：73-75.

［7］樓金其.抗滑樁加固巖質邊坡穩定性的數值模擬分析［J］.鐵道建筑，2012（5）：120-122.

［8］鄭穎人，趙尚毅，張魯渝.用有限元強度折減法進行邊坡穩定分析［J］.中國工程科學，2002，4（10）：57-62.

（責任編輯：王艷肖）

Influence analysis of anti-slide pile on slope soil reinforced based on local strength reduction method

QIAO En-chun
（Xinjiang Changji San Tun River Basin Management Office，Changji 831100，China）

Though the safety factor，the maximum shear and maximum bending moment of anti slide pile is calculated，the optimal position of anti slide pile reinforcement is determined.The results show that the reinforcement effect of anti slide pile low is the best in a low position，the safety coefficient is increased by 18%，and the shear force and bending moment of anti slide pile is maximum，the slip surface is located in the lower part of the anti slide pile as slope was damaged，and anti slide pile remained intact.The results of calculation have certain reference value for the optimization design of anti slide piles in similar slope engineering.

anti slide pile；local strength reduction method；slope；safety factor

TU457

：B

：1672-9900（2017）02-0024-03

2017-03-08

喬恩春（1975－），女（漢族），新疆昌吉人，工程師，主要從事水利工程的管理工作，（Tel）17355253212。