公路邊坡穩定性及抗滑樁加固分析

高興杰

（河北省公路學會，河北 石家莊 050051）

1 引言

邊坡因其組成成分、坡體形態、成因條件、環境變化等因素，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、邊坡穩定性分析、邊坡合理的支護設計等?，F有規范[1]、手冊[2]等指導性文件規定邊坡勘察、設計的標準，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，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]?？够瑯兑蚓哂性O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、邊坡等工程中廣泛應用。針對抗滑樁的研究，已經從極限平衡法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安全或偏不安全。近些年，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，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，理論支持匱乏，造成邊坡變形甚至失效或支護結構“過?！?。

為此，本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例，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，分析抗滑樁支護、樁—墻聯合支護兩種支護設計方法對邊坡變形和穩定性的影響，提出優化合理的設計方法，并進一步分析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。

2 工程概況

該公路按照一級公路標準建設，設計時速80km/h，路基寬度24.5m，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24m處設置一臨時棄土場（圖1）。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，因初期施工速度等原因使得淤積池塘中的淤泥留存厚10m，除此之外場地內土層由上自下依次為第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系全新統坡積粉質粘土（Q4dl）、侏羅紀中統沙溪廟組砂巖（J2s）。巖土體的物理力學參數見表1。

圖1 擬建棄土場及其相鄰邊坡示意圖

表1 巖土體物理力學參數

3 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，支擋防護措施分為兩種：

①抗滑樁支護：樁長6m，間距5.5m，樁徑1m，設樁位置位于坡腳；挖除坡體上部土體2m×13m；樁間距根據計算結果進行反復調試確定。

②抗滑樁+毛石擋墻支護：樁長6m，間距5.5m，樁徑1m；毛石擋墻長33m，寬1m，高6m；挖除坡體上部土體2m×13m。

采用PLAXIS3D 有限元軟件建立三維模型進行邊坡穩定性分析，通過樁-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，已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應地層分布、地形地貌、抗滑樁、樁間擋墻及棄土場擬建荷載等，建立的三維計算模型長40m、寬100m、高50m。巖土體本構模型可參見文獻[9]。三維計算樁、墻結構的計算參數見表2。

圖2 不同階段計算模型

表2 樁、墻結構的計算參數

4 邊坡穩定性模擬結果分析

4.1 抗滑樁模擬結果分析

邊坡破壞示意圖如圖3所示，計算時凍結邊坡外土體，選擇抗滑樁相應材料進行計算，計算結果如圖4、圖5所示。

圖3 邊坡破壞

圖4 塑性點圖

圖5 位移云圖

由圖4可見，樁距5.5m 時，抗滑樁加固坡體發生顯著變形，該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞，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可以看出，在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著大量的拉伸截斷點（圖5），反映了坡體中部、坡體后緣出現張裂縫。

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，為3cm，接近《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497-2009）規定[1]：基坑監測報警值為4cm。根據規范[1]第5.3.2條規定，對于一級的邊坡其安全系數需大于1.35，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4.5m、3.5m、2.5m時，該邊坡的變形和穩定性情況。樁距與邊坡變形、樁距與坡體穩定性關系曲線如圖6所示。

圖6 樁距與表征參數關系曲線

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減小，從樁間距5.5m的變形3cm逐漸減小到樁間距2.5m的0.6cm；隨著樁距的增加，坡體穩定性系數逐漸減小，從樁間距2.5m的1.5逐漸減小到樁間距5.5m的1.2。

4.2 抗滑樁+毛石擋墻模擬結果分析

在樁基間距5.5m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，卸載后變形量僅為8mm，符合對邊坡設計的4cm 水平位移要求，邊坡的穩定性系數為1.5，邊坡處于穩定狀態。

圖7 邊坡卸載效果分析

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

4.3 堆積荷載對邊坡穩定性的影響

如前所述，在距離坡頂30m 位置處設計擬建棄土場的堆載荷載，荷載輸入500kPa（該荷載為一期棄土堆置的總荷載），堆載范圍為半徑14m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。

圖8 堆載荷載示意圖

圖9 堆積荷載對邊坡穩定性影響

從圖9（a）、圖9（b）可見，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10mm，小于《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）[1]所規定的界限，邊坡的穩定性系數仍為1.5，邊坡處于穩定狀態。同時，由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500kPa、700kPa、900kPa、1000kPa。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兩倍。

圖10 不同堆積荷載計算結果

5 結語

本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例，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5.5m時，抗滑樁加固坡體發生顯著變形，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的滑移剪切破壞，說明坡體自身相對來說已發生失穩，該加固措施并不適宜。

②間距5.5m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6mm，符合一般對邊坡設計的4cm 水平位移要求，邊坡的穩定性系數為1.5，邊坡處于穩定狀態。

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兩倍。