錨桿-抗滑樁聯(lián)合支護邊坡穩(wěn)定性分析

李綿祿

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114）

0 引言

隨著我國交通事業(yè)不斷發(fā)展，公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施逐步向山區(qū)、丘陵地帶延伸，因而產(chǎn)生了越來越多亟需處理的路塹高陡邊坡。

經(jīng)過多年工程實踐與理論分析，國內(nèi)外學者在邊坡防治與加固等方面取得了很多研究成果。 蔣鑫等[1]采用數(shù)值模擬方法分析抗滑樁對上路基的側(cè)向滑移和穩(wěn)定性控制效果，得出在下坡腳處設(shè)置抗滑樁可以有效約束斜坡軟土地基的側(cè)向滑移。 年廷凱等[2]利用自編有限元程序，結(jié)合典型邊坡算例，深入探討了抗滑樁-邊坡體系的模型計算范圍、抗滑樁設(shè)置參數(shù)與樁底接觸模式等因素對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。 王聰聰?shù)萚3]采用有限元計算分析了抗滑樁在邊坡中的加固效果，探討了抗滑樁參數(shù)對邊坡安全穩(wěn)定的影響。 上述研究成果有力驗證了抗滑樁對邊坡的加固效果，揭示了不同抗滑樁設(shè)置參數(shù)的影響規(guī)律，為了保證工程安全，采用單一的加固措施往往不能同時保證高陡邊坡的局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定。 曹文昭等[4]提出了抗滑樁+加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)，闡述該組合支擋結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)特征， 采用有限差分程序FLAC3D 建立該組合支擋結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對比分析了抗滑樁和抗滑樁+承臺2 種結(jié)構(gòu)的加筋土擋墻。

高陡邊坡上部坡面采用錨桿注漿，坡腳采用抗滑樁加固的組合結(jié)構(gòu)，在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用[5-8]。 這種復式加固方式既能發(fā)揮預應(yīng)力錨索主動加固作用，限制邊坡上部變形，又可以有效利用抗滑樁被動加固作用，減少邊坡坡腳土方開挖，保證坡腳道路的正常施工及運行。 本文以貴州至廣州高速鐵路DK703+556.8～DK703+696.91（運營里程K735+680～K735 +820）段左側(cè)邊坡為實際依托工程，利用強度折減法對錨桿和抗滑樁聯(lián)合支護下的邊坡穩(wěn)定性進行研究，可為工程設(shè)計和施工提供借鑒。

1 計算原理

一般來講，當邊坡高度增大，坡頂荷載增加或坡腳受到不合理切削，以及土體自重及滲透力等在坡體內(nèi)引起應(yīng)力變化，土體內(nèi)部的切應(yīng)力超過其抗剪強度坡體就會發(fā)生失穩(wěn)。 在用有限元軟件數(shù)值模擬研究土體時，通常無法合理施加外部荷載，而是通過對影響土體強度值的參數(shù)進行調(diào)整來得出土體破壞的極限狀態(tài)，這種方法稱之為強度折減法，調(diào)整的參數(shù)稱之為安全系數(shù)K[9-10]，強度折減法是基于摩爾庫倫破壞準則公式（1）：

強度參數(shù)的調(diào)整如公式（2）式所示，調(diào)整后的土體參數(shù)見公式（3）和公式（4）：

式中：K 為安全系數(shù)或強度折減系數(shù)，c 為粘聚力，σ 為正應(yīng)力，φ 為內(nèi)摩擦角。由此可得：

數(shù)值模擬中，土體材料采用摩爾庫倫屈服準則，樁體材料采用彈性模型，樁-土之間采用無厚度接觸面連接，如圖1 所示，此模式可考慮剪切屈服。 其中，接觸面的法向行為采用法向彈簧和抗拉鍵來控制， 當接觸面法向拉力超過最大抗拉強度， 接觸面即失效。 取抗拉鍵強度為0，即樁-土界面不抗拉。 接觸面的切向行為通過切向彈簧、抗剪鍵和滑塊來表征，抗剪鍵可承受的最大剪切力fs-max按式（5）計算。

式中：cs為接觸面粘聚力，φs為接觸面內(nèi)摩擦角，A 為接觸面節(jié)點相關(guān)面積，fn為接觸面節(jié)點的法向應(yīng)力。 由于接觸面切向的摩擦參數(shù)一般小于樁周土體的摩擦參數(shù)，可通過將樁周土體強度參數(shù)按一定比例折減來確定。

圖1 樁-土單元接觸面

2 數(shù)值模型

2.1 工程概況

邊坡位于貴州至廣州高速鐵路DK703+556.84 ～DK703+696.91（運營里程K735+680～K735+820）段左側(cè)，上行官步1 號中橋，下行官步2 號中橋，邊坡全長140.07m。

邊坡上部采用錨桿，錨栓頭采用14# 槽鋼焊接，預應(yīng)力錨索采用張拉機拉拔，鉆孔采用機械成孔，直徑160mm，坡面采用厚度150mm 的C20 噴射混凝土，內(nèi)掛直徑6.5mm，間距200mm 鋼筋網(wǎng)片。

邊坡下部采用錨索+抗滑樁及擋土墻處理， 預加固樁采用C35 鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注，樁長17m，樁間距3.5m（中-中）， 樁截面尺寸為1.5m×1.75m。聯(lián)合支護典型截面如圖2 所示，巖、土體材料參數(shù)如表1 所示，支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2 所示。

圖2 邊坡聯(lián)合加固截面（DK703+626.510）

表1 巖、土體材料參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 有限元模型

本文利用MIDAS-Gts 有限元程序按實際尺寸建模。 數(shù)值模型橫向（X 向）取120m，縱向（Y 向）取四根抗滑樁范圍20m（1.5×4+3.5×4），豎向（Z 向）坡頂高50m，坡腳高21m。 邊坡及支護結(jié)構(gòu)單元劃分如圖3 所示。

模型邊界條件：邊坡底部約束X、Y、Z 三向；x=0m 和x=120m兩側(cè)為X 向約束；y=0m 和y=20m 處為Y 向約束； 其余邊界為自由面。邊坡及聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖3 所示。巖、土體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，其余材料采用彈性本構(gòu)模型，如表3 所示。

表3 巖土及支護結(jié)構(gòu)材料有限元單元

圖3 邊坡及其聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)過強度折減法計算，圖4、圖5 為經(jīng)過聯(lián)合支護加固前后邊坡的總位移及水平向位移云圖。 從圖中來看：加固前，安全系數(shù)為1.05，邊坡總位移最大為0.230m，水平位移最大為0.175m，最大位移均位于坡面中上部；經(jīng)過錨桿、抗滑樁加固后，安全系數(shù)為1.47， 邊坡的總位移最大為0.147m， 水平位移最大為0.057m，分別降低37%和67.2%，且最大位移位置均發(fā)生改變，總位移最大值位于坡頂， 水平位移最大值位于坡腳的抗滑樁樁頂。

經(jīng)分析，加固前的邊坡經(jīng)過強度折減后，位移主要以水平向為主，經(jīng)過加固之后，大幅度減少邊坡水平位移，但是由于加固支護結(jié)構(gòu)的增加，同時造成了邊坡豎向受荷增大，進而造成了更大的豎向位移。 從而，邊坡加固前后總位移降低率遠低于水平位移降低率。

圖4 邊坡總位移U

圖5 邊坡x向位移Ux

圖6 邊坡最大剪切應(yīng)變

圖6 為邊坡強度折減法計算后最大剪切應(yīng)變云圖， 加固前邊坡由于降雨、地震等原因容易形成圓弧線滑坡，經(jīng)過錨桿、抗滑樁及擋土墻等的加固防護作用，邊坡剪切應(yīng)變大大減小，由于支擋結(jié)構(gòu)的材料抗力，邊坡滑體的整體滑移得到有效控制，不會發(fā)生失穩(wěn)滑塌等現(xiàn)象。 同時，應(yīng)當注意在抗滑樁及擋土墻加固邊坡時，由于剛度變化，造成在抗滑樁背部及擋土墻墻趾處產(chǎn)生較大剪切應(yīng)變，導致邊坡面層混凝土墊層開裂，影響坡腳其他結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.2 抗滑樁位移、內(nèi)力分析

圖7 為抗滑樁（樁長17m）結(jié)構(gòu)變形位移云圖，由圖可知，抗滑樁主要發(fā)生水平位移， 樁頂、 樁底水平位移分別為53.74mm、24.56mm。樁體整體隨邊坡向斜下方向移動，樁頂總位移約占邊坡位移最大值的36.8%，位移遠低于邊坡最大位移，證明抗滑樁整體效果比較明顯。

圖7 抗滑樁變形位移矢量云圖

圖8 為抗滑樁樁體位移沿樁長方向變化曲線。 抗滑樁豎向位移整體維持在25mm 左右，水平位移與總位移隨著樁長變化大致呈 “線性” 減小， 樁底位移值分別為其樁頂位移值的45.7%和59.22%，樁底位移僅有樁頂位移的1/2 左右。226 kPa，位于抗滑樁頂部。4 根樁的受力分布情況大致相同，均呈“中間大、上下小”的分布模式。 總體而言，上部應(yīng)力小于下部應(yīng)力，中間應(yīng)力值最大。 每根樁的最大應(yīng)力值均在0.8MPa 左右，各個樁之間差異性較小，且均小于16.7MPa（抗滑樁采用的C35 混凝土抗壓強度設(shè)計值），有一定的安全儲備。

圖8 抗滑樁位移沿樁長變化

同時，相較于樁左側(cè)，右側(cè)應(yīng)力明顯高于左側(cè)應(yīng)力，且對于樁身下半段更為明顯。 左側(cè)應(yīng)力最大值為479kPa， 僅為右側(cè)的61%。 因此，抗滑樁設(shè)計時，增加右側(cè)下半段配筋尤為重要。

此外，無論樁身左側(cè)或是右側(cè)，樁頂位置均發(fā)生較大應(yīng)力集中，且右側(cè)更為明顯，經(jīng)過分析，樁頂位于滑坡的坡腳，應(yīng)力集中明顯，實際施工中，應(yīng)加強此處墊層混凝土厚度及強度，避免造成樁頭由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞，影響樁身完整性，造成樁體較大破壞，從而引起邊坡失穩(wěn)，造成更大損失。

圖9 抗滑樁應(yīng)力沿樁長變化

3.3 錨桿錨索內(nèi)力分析

邊坡上部通過采用錨桿注漿，充分發(fā)揮邊坡深部穩(wěn)定地層的穩(wěn)定承載能力，邊坡下滑力荷載主要經(jīng)錨固體將荷載分散到周圍地層中，從而可以有效減小抗滑樁設(shè)計荷載，同時也能夠減少邊坡開挖量，保障線路正常施工及運行。

經(jīng)過數(shù)值計算，結(jié)果如圖10 所示，錨桿、錨索軸向拉力錨固端較小，自由端較大。錨桿軸向拉力最大值為211.93kN，主要發(fā)生在下排錨桿，上排錨桿軸向拉力大致為150kN 左右。 預應(yīng)力錨索鉸接在抗滑樁樁頂，共同承擔下滑力部分荷載，錨索軸向拉力最大值為353.36kN。

圖10 錨桿、錨索軸向拉力

3.4 擋土墻穩(wěn)定性分析

該工程路塹擋土墻的作用是保證邊坡整體性，確保不會產(chǎn)生樁間土破壞，從而影響鐵路正常行駛。 圖11 為擋土墻位移及內(nèi)力圖。 由圖可知，擋土墻位移較小，最大值為5.76cm，擋土墻位移隨深度增加而減小，墻趾處位移為4.11cm。且從圖中可以看出，擋土墻整體性較好，位移呈整體平動，未發(fā)生較大變形，能夠較好地保障土體穩(wěn)定。

從擋土墻內(nèi)力來看，墻背處受到較大主動土壓力，應(yīng)力最大值542.34kPa，從數(shù)值來看并不會對擋土墻造成過大影響，擋土墻設(shè)計滿足工程需要。 結(jié)合圖7 來看，擋土墻墻趾處將產(chǎn)生較大剪切應(yīng)變，擋土墻前排水溝等設(shè)施容易發(fā)生開裂，施工時應(yīng)注意擋土墻底部墊層施工，從而避免后期開裂的發(fā)生。

圖11 擋土墻位移及內(nèi)力圖

4 討論與分析

本文從實際工程出發(fā)， 依據(jù)貴廣高速DK703+ 626.510 處左側(cè)邊坡為工程背景， 利用強度折減法對邊坡穩(wěn)定性進行分析，通過錨桿、錨索-抗滑樁以及擋土墻的聯(lián)合加固方式，對邊坡進行綜合治理。 分析結(jié)果可為工程施工提供一定的理論指導，也可為類似工程提供一定的工程借鑒。

（1） 從邊坡穩(wěn)定性分析可知，通過錨桿、錨索-抗滑樁以及擋土墻的聯(lián)合加固方式確實提高了邊坡穩(wěn)定性，但同時也帶來一定的問題，邊坡坡腳處較大剪切應(yīng)變應(yīng)及時處理，增加墊層施工厚度，避免后期造成較大開裂。 同時，由于支護結(jié)構(gòu)的增加，也將增加邊坡沉降，工程施工時應(yīng)等待足夠時間，等沉降趨于穩(wěn)定時，再進行邊坡坡面其余結(jié)構(gòu)施工。

（2） 工程設(shè)計時，應(yīng)考慮抗滑樁、擋土墻與土坡剛度差別，避免造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。 且在設(shè)計抗滑樁配筋時，應(yīng)結(jié)合具體情況，對薄弱位置進行加強，避免發(fā)生局部破壞。

5 結(jié)論

本文采用有限元分析軟件MIDAS-Gts 對貴廣高速DK703+626.510 左側(cè)邊坡進行穩(wěn)定性分析， 并對其聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)進行分析，得出以下結(jié)論：

（1） 錨桿、錨索-抗滑樁聯(lián)合加固能夠有效減少邊坡滑移，邊坡的總位移、水平位移分別降低37%和67.2%，由于支護結(jié)構(gòu)施工，同時也將產(chǎn)生更大的沉降；

（2） 抗滑樁應(yīng)力最大值為785kPa，位于抗滑樁地面以下約3/4 處，抗滑樁的受力分布情況大致相同，均呈“中間大、上下小”的分布模式，且樁右側(cè)遠大于樁左側(cè)；

（3） 由于錨桿的加固作用，邊坡上部位移減少較多，同時抗滑樁分擔荷載也將減小，錨桿、錨索內(nèi)力均在鋼筋安全范圍內(nèi)，未產(chǎn)生破壞，因此，錨桿、錨索-抗滑樁聯(lián)合支護將更有利于邊坡治理；

（4） 擋土墻作為整體性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，能夠有效保障路塹邊坡安全穩(wěn)定，避免影響線路運行，同時根據(jù)工程經(jīng)驗，也將產(chǎn)生墻前設(shè)施后續(xù)開裂，工程施工應(yīng)多加注意。