抗滑樁參數變化對土質邊坡穩定性的影響研究

丁橋軍， 董鐵斌

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 410004)

抗滑樁以其經濟實用、布置方便和超強的抗滑能力等優點而成為公路邊坡防護的重要形式之一。但實際工程中由于抗滑樁參數設計不足等缺陷導致邊坡失穩的現象時有發生，研究抗滑樁的設計參數對維護邊坡穩定性具有重要意義。羅勇等對h型抗滑樁在滑坡治理中的變形特性及內力進行分析，得出h型抗滑樁治理特大型滑坡的效果顯著，h型抗滑樁形成整體后的一段時間內滑坡變形收斂，邊坡趨于穩定；李梅等基于土拱效應對抗滑樁樁距展開研究，從經濟與安全兩方面綜合考慮選取最優樁距，優化后樁距從5.16 m增為5.5 m，經濟上節約11%；李恒楊等針對圓形與矩形截面門架式抗滑樁性能進行對比分析，發現相同截面積和埋深情況下圓形門架樁的抗滑性能優于矩形門架樁，且能減少配筋；吳靜華等對樁前不開挖的抗滑樁進行離心機模型試驗研究，得出在不開挖情況下抗滑樁對周圍土體響應有一定加固和阻滯作用，樁頂位移隨地震波的輸入變大。上述研究基本只針對抗滑樁的單一參數或性能及布置形式，對抗滑樁本身設計參數變化的影響研究較少。該文以某人工加固土質邊坡為工程背景，分析抗滑樁不同設計參數對邊坡變形、內力及穩定性的影響，為邊坡工程抗滑樁設計提供參考。

1 工程概況

某人工加固土質邊坡處于丘陵地帶，坡角為25°～35°，頂平坡陡。邊坡地層填土分別為帶碎石的粉質黏土、滑坡體土及黏土，其物理力學參數見表1。存在滑坡危害的坡體長度近85 m，滑坡體積達3萬m3，同時滑坡體頂部出現大量裂縫，中部出現多道張拉裂縫，存在嚴重滑坡隱患。該邊坡地面長116 m，整體坡高33 m，邊坡后緣長12 m，前緣長20 m。為加固邊坡，在離坡角約20 m處平行設置兩道長度為19 m的矩形截面抗滑樁，間距為4 m，截面尺寸為2 m×3 m。邊坡截面見圖1。

表1 邊坡土體的物理力學參數

圖1 邊坡截面簡化示意圖(單位：m)

2 模型建立

運用有限元軟件FLAC3D建立長、高分別為116和58 m的人工加固邊坡數值模型，包含4 525個單元、6 682個節點(見圖2)。

圖2 邊坡有限元模型

模型中采用強度折減法計算邊坡安全系數，以計算收斂值判定邊坡是否失穩。選取自重應力場作為初始應力場。假定條件為抗滑樁與巖土均為理想線彈性體，土體為理想彈塑性體。本構模型采用可同時考慮關聯流動拉伸屈服與非關聯流動剪切屈服的摩爾-庫侖模型。邊界條件為上部設置為自由邊界，兩側進行法向約束，底部采用固定約束。抗滑樁選用樁單元模擬，樁單元和模型網格間的相互作用采用法向與切向的耦合彈簧模擬，耦合彈簧為非線性彈簧-滑塊連接體。抗滑樁的物理參數見表2。

表2 抗滑樁的物理力學參數

3 結果與分析

3.1 截面尺寸

抗滑樁一般分為矩形截面和圓形截面兩種布置形式，實際工程中應用較多的為矩形截面抗滑樁。為研究不同矩形截面尺寸抗滑樁對邊坡變形、內力及穩定性的影響，分別針對布置截面尺寸為0.5 m×1 m、1 m×1.5 m、1.5 m×2 m、2 m×2.5 m、2 m×3 m抗滑樁的邊坡水平和豎直位移、最大彎矩和剪力、安全系數進行對比分析。抗滑樁截面尺寸對邊坡變形、結構內力和穩定性的影響分別見圖3、圖4、圖5。

圖3 抗滑樁不同截面尺寸-位移變化曲線

由圖3可知：隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡水平位移、豎直位移及抗滑樁水平位移均逐漸減小，其中邊坡水平和豎直位移的減小趨勢較平緩，抗滑樁水平位移變化較大；截面尺寸超過2 m×2.5 m后，各方向位移變化均趨于穩定，說明增大抗滑樁截面尺寸雖能減少邊坡變形，但當截面尺寸達到某值

圖4 抗滑樁不同截面尺寸-邊坡結構內力變化曲線

圖5 抗滑樁不同截面尺寸-邊坡安全系數變化曲線

時將不再對邊坡變形造成影響。

由圖4可知：1) 隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡的最大負彎矩不斷減小，整體降幅較大。截面尺寸由0.5 m×1 m增至2 m×2.5 m時，最大負彎矩呈現較大減小趨勢；截面尺寸超過2 m×2.5 m后，最大負彎矩逐漸趨于穩定。說明增大截面尺寸可降低最大負彎矩，維護邊坡的穩定。2) 邊坡的最大剪力隨著抗滑樁截面尺寸的增大呈現先負向增大后正向增大的不規則變化，截面尺寸較小時，最大剪力呈現較大負值；截面尺寸較大時，最大剪力開始轉為正值；截面尺寸超過2 m×2.5 m后，最大剪力趨于穩定。

由圖5可知：隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡安全系數呈現逐漸增大趨勢，且呈現明顯的分段性增幅，說明增大抗滑樁截面尺寸可提高邊坡的穩定性；截面尺寸達到2 m×2.5 m后，安全系數逐漸趨于穩定。

綜上，增大抗滑樁截面尺寸可減小邊坡變形和受力，提高邊坡的穩定性。考慮到成本控制和施工難度，不能過大增加抗滑樁截面尺寸，實際工程中抗滑樁矩形截面尺寸以2 m×2.5 m為宜。

3.2 錨固深度

抗滑樁埋入邊坡土層的樁長即為錨固深度，不同埋深對邊坡的影響存在較大差異。為研究抗滑樁不同錨固深度對邊坡變形、內力及穩定性的影響，針對布置錨固深度分別為4、6、8、10及12 m抗滑樁的邊坡水平和豎直位移、最大彎矩和剪力、安全系數進行對比分析。不同抗滑樁錨固深度對邊坡變形、結構內力和穩定性的影響分別見圖6、圖7、圖8。

圖6 抗滑樁不同錨固深度-位移變化曲線

圖7 抗滑樁不同錨固深度-邊坡結構內力變化曲線

圖8 抗滑樁不同錨固深度-邊坡安全系數變化曲線

由圖6可知：隨著抗滑樁錨固深度的加大，邊坡豎直位移和抗滑樁水平位移均逐漸減小，邊坡水平位移則先減后增最后逐漸達到穩定。錨固深度由4 m增至8 m時，各方向位移減小趨勢較明顯；錨固深度超過8 m后，邊坡位移變化逐漸達到穩定狀態。增加抗滑樁錨固深度可減少邊坡變形，考慮到邊坡水平位移的變化，錨固深度為8～10 m時，邊坡變形整體最小。

由圖7可知：1) 隨著抗滑樁錨固深度的增加，邊坡最大彎矩不斷增大，說明錨固深度越大，抗滑樁受力越大，發生的彎曲越大。錨固深度為10～12 m時，最大彎矩增幅最大，說明過大的錨固深度會對抗滑樁受力造成較大影響，從而導致邊坡穩定性下降；錨固深度為8～10 m時，最大彎矩增幅最小，抗滑樁的受力合理，可更好地維持邊坡的穩定。2) 隨著抗滑樁錨固深度的加大，邊坡最大剪力呈先減后增再減的變化趨勢。錨固深度由4 m增至6 m時，最大剪力減小約5 kN；錨固深度由6 m增至8 m時，剪力增大約7 kN；錨固深度超過8 m后，最大剪力直線下降。抗滑樁錨固深度過大容易造成抗滑樁剪力損失較大，導致邊坡穩定性下降。

由圖8可知：邊坡安全系數隨著抗滑樁錨固深度的增加而增大，并逐漸達到一個穩定值。錨固深度由4 m增至8 m時，邊坡安全系數呈線性增加；錨固深度超過8 m后，穩定系數不再變化。

綜上，為保證邊坡變形最小、受力最合理、穩定性最強，對于長度為19 m的抗滑樁，錨固深度以8 m為最佳。

3.3 樁間距

合理的抗滑樁間距不僅能提升邊坡的穩定性，更能減少工程造價、降低施工難度。為研究抗滑樁不同間距對邊坡變形、內力及穩定性的影響，針對樁間距分別為3、3.5、4、4.5、5 m的邊坡水平和豎直位移、最大彎矩和剪力、安全系數進行對比分析。不同抗滑樁間距對邊坡變形、結構內力和穩定性的影響分別見圖9、圖10、圖11。

圖9 抗滑樁不同間距-位移變化曲線

由圖9可知：邊坡水平和豎直位移隨著抗滑樁間距的增大呈現先增大后減小的趨勢，抗滑樁的水平位移隨著樁間距的增大而逐漸增大。樁間距由3 m

圖10 抗滑樁不同間距-邊坡結構內力變化曲線

圖11 抗滑樁不同間距-邊坡安全系數變化曲線

增大至4 m時，邊坡位移整體變化較明顯；樁間距超過4 m后，邊坡位移變化逐漸平緩。樁間距小于4 m時，內部相互作用過大，導致邊坡發生較大位移，而樁間距過大會對抗滑樁位移造成較大影響，為防止邊坡發生變形失穩，樁間距宜設置為4 m。

由圖10可知：1) 隨著抗滑樁間距的增大，邊坡最大負彎矩不斷變大，說明樁間距增加會增大單個抗滑樁的受力，發生過大彎曲，導致抗滑樁加固性能下降。樁間距小于4 m時，最大彎矩增長幅度逐漸減小；樁間距大于4 m時，最大彎矩增長幅度逐漸增大。說明樁間距趨于4 m時，最大彎矩最穩定，邊坡受力最均勻。2) 隨著樁間距的增加，邊坡最大剪力呈先減小后增大的趨勢。樁間距小于4 m時，最大剪力較小，邊坡受力過小；樁間距大于4 m時，最大剪力較大，邊坡受力較大。邊坡受力過大或過小都極易導致邊坡失穩，樁間距布置為4 m時邊坡受力最合理。

由圖11可知：邊坡安全系數隨著抗滑樁間距的增大而減小；間距小于4 m時，安全系數變化較小；間距超過4 m后，安全系數急劇降低。說明增大樁間距會導致邊坡穩定性下降，樁間距不宜過大。

綜上，抗滑樁間距取4 m時，邊坡安全系數最高，穩定性最好。

4 結論

(1) 增大抗滑樁截面尺寸可降低邊坡變形，減小邊坡受力，提高邊坡的穩定性。考慮到成本控制和施工難度，不能過大地增加抗滑樁截面尺寸，實際工程中抗滑樁矩形截面尺寸以2 m×2.5 m最適宜。

(2) 適宜的抗滑樁錨固深度可保證邊坡變形最小、受力最合理、穩定性最強，對于長度為19 m的抗滑樁，錨固深度采用8 m最佳。

(3) 隨著抗滑樁間距的增大，邊坡位移先增大后減小，邊坡受力整體呈增大趨勢，安全系數逐漸降低。樁間距設置為4 m時，邊坡變形最小，受力最合理，穩定性最好。