公路邊坡穩定及抗滑樁加固分析

摘要：常規的邊坡支護設計方法因理論支持力度匱乏，使當前邊坡工程設計仍有一定缺陷，造成邊坡變形甚至失效或支護結構“過剩”。文章以某公路人工堆填邊坡為例，采用PLAXIS3D有限元軟件建立三維模型進行邊坡穩定性分析，利用考慮樁-土相互作用的強度折減法，研究邊坡支護形式的合理選型。研究結果表明：抗滑樁+毛石擋墻聯合支護措施，比同幾何設計尺寸的抗滑樁措施更能有效控制邊坡變形，保證邊坡穩定;當僅采用抗滑樁進行加固時，樁間距等樁身參數需嚴格調整，使得施工難度大、經濟性差;在公路邊坡附近設置棄土場時，棄土荷載作用下，邊坡受到的影響有限;在現行設計標準下，擬建棄土場的最大堆載量可達到設計標準荷載的2倍。

關鍵詞：邊坡;穩定性;抗滑樁;PLAXIS3D有限元軟件;樁-土相互作用

0 引言

當前，邊坡因其組成成分、坡體形態、成因條件、環境變化等因素的差異呈現出工程地質條件越來越差、事故多樣化等特點。在當下不同類型的邊坡工程中仍有問題亟待解決，諸如邊坡巖土體強度指標確定問題、邊坡穩定性分析問題、邊坡合理的支護設計問題等。現有規范[1]、手冊[2]等指導性文件規定了邊坡勘察、設計的標準，而針對邊坡工程的支護措施，盡管設計和科研人員在工程實踐中積累了特別豐富的經驗和教訓，但對如何選擇合理、經濟、有效的支護措施還需進行多方面的研究和探討。目前，各類支護結構及體系，例如樁、復合土釘墻、錨桿（索）、混凝土（鋼）內支撐及新型或組合支護形式已在各類邊坡工程中進行了應用嘗試[3]。抗滑樁因具有設計簡單、結構形式靈活多變、組合兼容性強、施工便宜、設計理論完備等優點，在基坑、邊坡等工程中應用廣泛。針對抗滑樁的研究，眾多學者已經從極限平衡法的理論計算手段的改進驗算[4]、室內相似原理的物理模擬試驗[5]、原位樁身變形和內力的監測測試試驗[6]、有限元或有限差分方法的全尺寸真三維的數值模擬試驗等[7]，得出了抗滑樁的設計優化理論，并研究了邊坡變形對抗滑樁的內力及形變的影響。然而，常用的極限平衡法無法全面反映土體側移變形對支護樁的影響，即無法考慮樁-土協同變形而造成設計支護過于安全或偏不安全。近些年，有學者逐漸引入抗滑樁加固邊坡的結構-坡體協同理念，深入探討樁身截面尺寸、樁長、設樁位置、樁間距等樁幾何尺寸因素對支護效果的影響，以此作為優化的依據[8]。但是，常規的支護設計方法主要是在克里金土壓力基礎上衍生而來的，依據工程勘察提供的土體物理力學參數結合工程經驗進行設計，理論支持力度匱乏，造成當前邊坡工程設計仍有一定缺陷，引起邊坡變形甚至失效或支護結構“過剩”。

公路邊坡穩定及抗滑樁加固分析/高興杰[=JP2] 為此，本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例，采用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型進行邊坡穩定性分析，利用考慮樁-土相互作用的強度折減法，分析抗滑樁支護、樁-墻聯合支護兩種支護設計方法對于邊坡變形和穩定性的影響，提出優化合理的設計方法，并進一步考慮坡頂后續堆積荷載對重新支護后邊坡的穩定性影響，分析在各種工況下樁身變位、坡體變形等特點，以期為抗滑樁工程設計提供參考。

1 工程概況

該公路全線按照一級公路標準建設，設計時速采用80 km/h，路基寬度為24.5 m，其中新建特大橋1座、新建大橋1座。該公路在起始段為堆填路堤邊坡，并在邊坡的左側邊緣距離路堤坡頂24 m處設置一處臨時棄土場，用于臨時轉運（邊坡形態如圖1所示）。根據場地工程地質勘察資料顯示，擬建公路穿越的位置原為一淤積池塘，因初期施工速度等問題影響使得池塘中的淤泥未能完全清除干凈，留存厚度為10 m。除此之外場地內土層由上自下依次為：第四系全新統（Q4ml）人工填土層①、第四系全新統坡積粉質黏土（Q4dl）②、侏羅紀中統沙溪廟組砂巖③（J2s）。巖土體的物理力學參數如表1所示。

2 支擋防護設計方案及模型建立

根據工程地質勘察報告，結合工程現場揭露的地層情況、后續邊坡卸載處置措施、擬建棄土場的堆土量級等基本工程情況，支擋防護措施方法分為兩種：

（1）抗滑樁支護：樁長為6 m，間距為5.5 m，樁徑為1 m，設樁位置位于坡腳;挖除坡體上部土體尺寸為2 m×13 m;樁間距根據計算結果進行反復調試并最終確定。

（2）抗滑樁+毛石擋墻支護：樁長為6 m，間距為5.5 m，樁徑為1 m;毛石擋墻長33 m、寬1 m、高6 m;挖除坡體上部土體尺寸為2 m×13 m。

采用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型進行邊坡穩定性分析，利用考慮樁-土相互作用的強度折減法，研究抗滑樁支護的原邊坡變形破壞特點，為設計施工方案的有效實施提供技術支撐。三維計算模型如圖2所示，并進行網格優化與計算調試。為了建立的三維計算模型能合理反映地層分布、地形地貌、抗滑樁、樁間擋墻及棄土場擬建荷載等，建立的模型長40 m、寬100 m、高50 m。

巖土體本構模型可參見文獻[9]。

巖土體的物理力學參數如表1所示。樁、墻結構的計算參數如表2所示。

3 邊坡穩定性模擬結果分析

3.1 抗滑樁模擬結果分析

如下頁圖3所示，計算時凍結邊坡外土體，對抗滑樁賦予相應材料進行計算，計算結果如圖4、圖5所示。

由圖3可知，樁距為5.5 m時，抗滑樁加固坡體發生顯著變形破現象，該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞，在坡頂位置的潛在滑移面產生滑移剪切破壞，說明坡體自身相對來說已發生失穩，該加固措施并非適宜。通過坡體內部的塑性點分布圖也可以看出（見圖4），在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著大量的拉伸截斷點，這些很好地反映了坡體中部、坡體后緣發現的張裂縫。

同時，根據圖5的位移云圖可以看出，在坡體及抗滑樁樁頂的位置產生的位移最大，接近3 cm，接近一般對邊坡設計4 cm水平位移的要求（基坑監測報警值為4 cm[1]）。根據規范[1]第5.3.2條規定，一級邊坡的安全系數需>1.35，而該邊坡的穩定性系數為1.2，處于臨界穩定狀態但安全儲備不足。

對此，對樁距進行調整，分別考慮樁距為4.5 m、3.5 m、2.5 m時，該邊坡的變形和穩定性情況。樁距與邊坡變形、樁距與坡體穩定性的關系曲線如圖6所示。

從圖6可見，樁距與邊坡變形成正比關系，樁距與坡體穩定性系數成反比關系。即隨著樁距的增加，邊坡和樁頂向坡外的最大水平位移逐漸在減小，從樁間距5.5 m的變形3 cm逐漸減小到樁間距2.5 m的0.6 cm變形;而隨著樁距的增加，坡體穩定性系數逐漸增大，從樁間距5.5 m的1.2逐漸減小到樁間距2.5 m的1.5;三者關系均表現了近似的線性增大。

3.2 抗滑樁+毛石擋墻模擬結果分析

如圖3（b）所示，在樁基間距為5.5 m工況下，激活毛石擋墻，以開展抗滑樁+毛石擋墻邊坡的支擋防護措施的效果分析。計算結果如圖7所示。

圖7（a）為抗滑樁+毛石擋墻支護后坡體內部的塑性點云圖，與圖4相關結果進行比對可以看出，在采用聯合支護之后，邊坡附近的塑性點明顯減少，說明聯合支護后坡體區域處于穩定狀態。同時對比坡體變形情況，統計變形量發現，卸載后變形的變形量僅為8 mm，符合一般對邊坡設計4 cm水平位移的要求，邊坡的穩定性系數為1.5，邊坡處于穩定狀態。

從計算結果可以看出，抗滑樁（間距為5.5 m）+毛石擋墻和2.5 m間距抗滑樁支護后的支護效果基本一致。

3.3 堆積荷載對邊坡穩定性的影響

如前所述，在距離坡頂30 m位置處設計擬建棄土場的堆載荷載500 kPa（該荷載為一期棄土堆置的總荷載），堆載范圍為半徑14 m的圓形范圍。在抗滑樁+毛石擋墻支護措施的工況下，激活荷載后，計算模型如圖8所示，結果如圖9所示。

在設計荷載作用下棄土場堆載對邊坡的變形影響很小，水平位移僅為10 mm，小于《建筑邊坡工程技術規范》〈GB 50330-2013〉[1]所限定的界限，邊坡的穩定性系數仍為1.5，邊坡處于穩定狀態。同時，從邊坡塑性點分布可見，在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著少量的拉伸截斷點，但結合坡體和樁頂的變形可見影響不大。

進一步通過改變堆積荷載來模擬擬建棄土場所能達到的最大庫容，以優化相關設計。荷載輸入500 kPa、700 kPa、900 kPa、1 000 kPa。所得計算結果如圖10所示。計算結果顯示，隨著坡后堆積荷載的增加，邊坡穩定性系數降低，位移增大。在現行設計標準下，擬建棄土場的最大堆載量可達到設計標準荷載的2倍。

4 結語

本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例，采用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型進行邊坡穩定性分析，利用考慮樁-土相互作用的強度折減法，研究抗滑樁支護的原邊坡變形破壞特點，并以此為基礎對變形破壞的邊坡進行支護設計研究，同時考慮坡頂后續堆積荷載對重新支護后邊坡的穩定性影響，研究結果表明：

（1）樁距為5.5 m時，抗滑樁加固坡體發生顯著變形破壞現象，該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞，在坡頂位置的潛在滑移面產生滑移剪切破壞，說明坡體自身已發生失穩，該加固措施并非適宜。

（2）采用間距為5.5 m抗滑樁+毛石擋墻聯合支護措施，可以有效控制邊坡變形，保證邊坡穩定。即支護后變形的變形量僅為6 mm，符合一般對邊坡設計4 cm水平位移的要求，邊坡的穩定性系數為1.5，處于穩定狀態。但是當僅采用抗滑樁進行加固時，樁間距需調整至2.5 m，施工難度大、經濟性差。

（3）在后續興建的棄土場荷載作用下，邊坡受到的影響有限。在現行設計標準下，擬建棄土場的最大堆載量可達到設計標準荷載的2倍。

參考文獻：

[1]GB 50330-2013，建筑邊坡工程技術規范[S].

[2]工程地質手冊編委會.工程地質手冊（第五版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[3]劉國彬，王衛東.基坑工程手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

[4]張曉詠.抗滑樁現場試驗及其設計計算方法研究[D].福州：福州大學，2010.

[5]張友良，馮夏庭，范建海，等.抗滑樁與滑坡體相互作用的研究[J].巖石力學與工程學報，2002（6）：81-84.

[6]馮文娟，琚曉冬.基于FLAC～（3D）的抗滑樁設計方法研究[C].全國樁基工程學術會議，2011.

[7]趙坤鵬，姚 造.基于改進有限元容重增加法的抗滑樁內力計算[C].全國大壩安全監測技術與應用學術交流會.全國大壩安全監測技術信息網，2016.

[8]邱煥峰.邊坡穩定性分析評價方法及抗滑樁研究[D].武漢：武漢大學，2013.

[9]劉志祥，張海清.PLAXIS 3D基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2015.