抗滑樁加固露天邊坡優化分析

(山東科技大學土木工程與建筑學院　山東　青島　266590)

前言

抗滑樁作為邊坡加固的一種有效措施，與其他抗滑工程相比，具有支擋效果好、施工期短、施工靈活、抗滑能力強等特點，現已廣泛應用于邊坡加固工程中。極限平衡法只是對樁體受力形式及滑動面進行假設，不能有效反映樁-土之間耦合效應和邊坡滑移特征[1,2]；數值分析法基于有限元法或有限差分法給邊坡的數值模擬提供了新手段[3]。

Won等[4]利用極限平衡法和FLAC3D從邊坡的穩定性系數和抗滑樁的力學響應兩方面對比分析，研究邊坡的穩定性；劉怡林[5]等利用FLAC3D分析了抗滑樁加固邊坡穩定性的優化問題；楊光華等[6]基于FLAC3D數值模擬，研究抗滑樁加固位置與安全系數的關系，王聰聰等[7]對抗滑樁加固邊坡效果進一步優化分析；戴自航等[8]分析了實際工程邊坡的抗滑樁最優設計方案。目前在抗滑樁加固邊坡的優化模擬中，以優化樁長為主，常以邊坡穩定性系數作為唯一的優化指標，忽略了樁-土之間的耦合效應，彈性模量對邊坡穩定性及抗滑樁自身內力、變位特點研究較少，常以工程經驗確定樁體彈性模量，對其取值不規范。

利用考慮樁-土之間耦合效應的強度折減法，在FLAC3D中用樁單元模擬抗滑樁，研究其布設位置、樁長以及彈性模量對邊坡穩定性系數的影響，分析不同工況下的樁身內力、樁身變位特點，為類似抗滑樁加固高陡巖質邊坡中邊坡工程設計提供參考。

一、抗滑樁加固作用的數值實現

在FLAC3D數值模擬中以樁單元模擬抗滑樁可以獲得較多的計算信息，固采用樁單元模擬抗滑樁。樁-土之間的相互作用通過法向和切向的耦合彈簧實現，耦合彈簧是非線性彈簧-滑塊連接體，能夠實現樁單元與實體單元網格間力與彎矩的傳遞。

在樁節點和圍巖網格之間發生相對位移產生剪力計算公式如下：

式中：FS表示剪切連接彈簧產生的剪切力；L表示單元長度；css表示剪切連接彈簧的剪切剛度；usi、usm分別為樁的軸向位移和巖土介質面的軸向位移。抗滑樁的法向連接彈簧的法向力的計算公式如下：

式中：Fn表示法向耦合彈簧產生的法向力；L表示有效單元長度；cns表示法向連接彈簧的法向剛度；uni、unm分別表示垂直于樁軸向方向樁的位移和垂直于樁軸向方向介質面的位移。

二、抗滑樁加固邊坡數值模擬

按平面應變建立邊坡計算模型，巖土體采用Mohr-Coulomb準則，邊坡穩定性系數采用強度折減法計算，計算是否收斂作為邊坡的失穩判據。利用自編的FISH語言將滑移面數據取出，將滑動面上各點的位移量化。

該邊坡巖層傾角較大，傾角為60°，為高陡順層巖質邊坡。根據邊坡動態檢測數據結果顯示黃鐵絹英化花崗質碎裂巖(SγJH)與黃鐵絹英巖化花崗巖(γJH)交界面的位移較大，為潛在滑移面。抗滑樁采用直徑D=2m，考慮潛在滑移面距坡面距離，初設樁長20m，從6m變化到48m，步長為6m，L為邊坡水平投影長度為48m，因此LX/L=1/8～1.0。

表1　計算參數

三、抗滑樁優化分析

(一)抗滑樁加固位置對邊坡穩定性的影響

抗滑樁加固位置對邊皮穩定性的影響如圖3所示，從圖3可以看出，當樁長較小時，抗滑樁加固位置對邊坡的穩定性較小當設樁設在臨近坡腳處時，抗滑樁對邊坡支護效果不明顯。隨著LX/L逐漸增大，穩定性系數逐漸增大，支護效果越明顯。當樁長達到30m時，最優設樁位置不再是邊坡中部，即L5位置，支護效果最佳。

(二)抗滑樁樁長對邊坡穩定性的影響

由圖3可知，在L1、L2位置，樁長的變化對邊坡的穩定性影響較小，邊坡的穩定性系數均小于1，邊坡不穩定。當超過L2位置后，抗滑樁越長，邊坡的穩定系數越高，但當樁長達到一定長度后，抗滑樁長度增加對邊坡的支護效果不再起明顯作用。說明抗滑樁存在一定的有效的嵌固深度，根據工程特例，受設樁位置影響，在L5位置有最大的嵌固深度。

1-L1；2-L2；3-L3；4-L4；5-L5；6-L6；7-L7；8-L8

(三)抗滑樁彈性模量對邊坡穩定性的影響

在L5位置，樁長達到32m時支護效果最佳，僅調整抗滑樁的彈性模量ES進行分析。如圖3所示，抗滑樁的彈性模量增大，邊坡的穩定性系數增加不明顯，變化率僅為1.15%，因此，抗滑樁彈性模量在20GPa～40GP之間變化時，可認為對邊坡穩定性系數無影響。

圖4　抗滑樁彈性模量對邊坡穩定系數的影響

(四)抗滑樁彈性模量對樁身內力和變位的影響

不同彈性模量工況下的樁身內力和樁身撓度變化曲線如圖5、圖6、圖7所示。可以看出，樁身彎矩、剪力隨樁身彈性模量增大而增大，樁深約-18m處彎矩取得最大值。對比分析計算結果，樁身的內力變化十分有限，彎矩相對誤差僅有18.6%，樁頂撓度僅相差3.5mm，隨著樁深度的增加，不同樁身彈性模量的撓度值基本趨于一致。

綜合邊坡穩定性系數、樁身內力及抗滑樁變位分析，提高抗滑樁彈性模量在一定程度上能夠減小樁體變位，但是變化幅度十分有限，對邊坡的穩定性系數增加不明顯。在施工過程中，提高抗滑樁的彈性模量勢必使用更高強度的混凝土或受力鋼筋，這都將提高抗滑樁成本，所以，在抗滑樁設計時，根據工程需要，合理確定抗滑樁彈性模量。

彈性模量/GPa：1-20；2-25；　3-30；4-35；5-40

彈性模量/GPa：1-20；2-25；　3-30；4-35；5-40

彈性模量/GPa：1-20；2-25；3-30；4-35；5-40

四、結論

以工程特例為研究對象，采用強度折減法為研究手段，研究抗滑樁其布設位置、樁長以及彈性模量對邊坡穩定性系數的影響，得出以下結論：

(1)當樁設在坡腳處時及L1、L2位置時，樁長的變化對邊坡的穩定性影響較小。當樁長較小時，設樁位置的變化對邊坡穩定性系數影響也很小，樁長較大時(大于24m)，設樁位置對邊坡穩定性系數的影響顯著增強。當樁長達32m時，設樁位置在L5位置時邊坡的穩定性系數取得最優值。

(2)抗滑樁加固邊坡的邊坡工程中，存在一定的嵌固深度，嵌固深度受工程地質條件的影響，不同的設樁位置，嵌固深度不同。當樁長達到嵌固深度，能夠有效的阻斷潛在滑移面，當樁長繼續增加時，對邊坡的穩定性影響較小。

(3)提高抗滑樁彈性模量不能提高邊坡穩定性系數，只是在一定程度上能夠減小樁體變位，彎矩相對誤差僅有18.6%，樁頂撓度僅相差3.5mm。因此，在抗滑樁加固邊坡工程的設計中，根據工程需要，合理確定抗滑樁彈性模量。

【參考文獻】

[1]年廷凱,徐海洋,劉紅帥.抗滑樁加固邊坡三維數值分析中的幾個問題[J].巖土力學,2012,08:2521-2526+2535.

[2]蔣鑫,劉晉南,黃明星,邱延峻.抗滑樁加固斜坡軟弱地基路堤的數值模擬[J].巖土力學,2012,04:1261-1267

[3]陳樂求,楊恒山,林杭.抗滑樁加固邊坡穩定性及影響因素的有限元分析[J].中南大學學報(自然科學版),2011,02:490-494.

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

[5]劉怡林,寧兆軻,姜瑞清,黃茂松.抗滑樁加固含軟弱夾層邊坡三維彈塑性數值分析[J].巖土工程學報,2013,S1:216-221.

[6]楊光華,張有祥,張玉成,湯佳茗.基于邊坡變形場的抗滑樁最優加固位置探討[J].巖土工程學報,2011,S1:8-13.

[7]王聰聰,李江騰,廖峻,郝瑞卿,劉博.抗滑樁加固邊坡穩定性分析及其優化[J].中南大學學報(自然科學版),2015,01:231-237.

[8]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].福州大學學報(自然科學版),2012,05:664-669.