樁基布置位置選擇對邊坡加固效果的影響研究

王 晨，武蘭蕊，劉 松

（徐州市銅山區(qū)水利工程建設(shè)中心,江蘇 徐州 221000）

1 前言

為了使邊坡更加區(qū)域穩(wěn)定,使經(jīng)過加固的邊坡更加安全,在采取加固措施對邊坡進(jìn)行加固時常常用到有著良好加固作用的樁基進(jìn)行加固,而在進(jìn)行樁基加固時,樁基加固位置的選擇,對實(shí)現(xiàn)其合理而又理想的加固效果十分關(guān)鍵。許勝才等[1-2]對水泥土樁形式的加固方式的相應(yīng)對軟土土質(zhì)邊坡的加固效果進(jìn)行了有限元分析研究,指出該類樁加固模式的變形特征,提出了更為合理的加固形式,最后采用模型試驗(yàn)對其所提出的加固形式進(jìn)行了可靠驗(yàn)證。彭文哲等[3-4]應(yīng)用有限元類型的極限方法分析數(shù)值模擬軟件OptumG2,分別構(gòu)建了抗滑樁加固前后的邊坡模型,分析研究了抗滑樁提高邊坡穩(wěn)定性的作用,并對樁的位置和打入深度進(jìn)行了合理分析,確定了相應(yīng)的各自最危險滑動面,對比分析了軟件OptumG2中的重力乘數(shù)與強(qiáng)度折減法的模擬結(jié)果,探討了邊坡地形地貌和邊坡材料對最終計算結(jié)果的影響,得出一些十分有意義的結(jié)論,為后續(xù)邊坡加固形式的選擇和相應(yīng)加固效果的研究提供了參考。陳行等[5-6]認(rèn)識到前人對弧形結(jié)構(gòu)在壓應(yīng)力較大情況下的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn),依托一景區(qū)的實(shí)際邊坡工程,分析了曲率不同條件下以弧形結(jié)構(gòu)排布時抗滑樁對邊坡加固的效果,特別是地震作用下邊坡的動力響應(yīng)和穩(wěn)定性特征。結(jié)果說明弧形結(jié)構(gòu)排布的抗滑樁能夠有效減少邊坡在地震作用下出現(xiàn)破壞的可能性。羅偉等[7-8]為了解決現(xiàn)有極限平衡方法在分析處理非線性抗滑樁對邊坡加固效果上呈現(xiàn)出的缺陷,應(yīng)用土力學(xué)中的土壓力理論將抗滑樁與邊坡滑體之間的相互作用力計算加以簡化,并通過平衡解析獲取了樁側(cè)的有效壓力,最后,基于經(jīng)典的瑞典條分法,計算出滑面的應(yīng)力,從而建立了非線性抗滑樁的邊坡穩(wěn)定性研究方案。黃俊等[9-10]為了分析抗滑樁加固邊坡時存在的加固效果不確定性,通過采用可靠度方法對該類不確定性進(jìn)行了定量研究,并分析了不同抗滑樁樁位條件下,臨界滑動面呈現(xiàn)的位置特點(diǎn),成功開發(fā)了便于應(yīng)用的可靠度分析程序,并在有限差分軟件FLAC3D 中進(jìn)行了算例驗(yàn)證。郭震山等[11]在FLAC3D 中成功實(shí)現(xiàn)了邊坡非飽和滲流的模擬,其主要通過FISH 語言進(jìn)行編程,將相應(yīng)的不飽和土體效應(yīng)加入到程序的運(yùn)行計算中,進(jìn)而結(jié)合雙應(yīng)力Fredlund 強(qiáng)度折減法分析了非飽和邊坡的穩(wěn)定性,并對一抗滑樁加固邊坡的算例進(jìn)行了分析。

在采用樁基加固形式對邊坡工程進(jìn)行加固處理時,設(shè)計師往往十分苦惱于樁基位置的選擇,為此,本文對實(shí)體工程邊坡進(jìn)行數(shù)值分析,主要研究兩種不同樁基位置條件下,標(biāo)示邊坡穩(wěn)定性的參數(shù)的變化。數(shù)值計算主要采用Geo-studio軟件進(jìn)行。計算結(jié)果通過通過自帶的圖形輸出工程導(dǎo)出進(jìn)行分析,建模時,通過劃分區(qū)域設(shè)置不同的材料分布范圍,水位采用水壓線設(shè)置。

2 工程地質(zhì)

該實(shí)體工程邊坡位于江蘇省內(nèi),邊坡剖面示意圖見圖1,邊坡巖土體主要有兩層材料組成,下層屬于燕山第五期侵入型花崗巖基,上層是相應(yīng)的花崗巖的風(fēng)化殘留土層,表1概括了各層巖土體材料的對應(yīng)物理力學(xué)參數(shù)。

3 Geo-studio 簡介

Geo-studio 軟件無論是在邊坡建模還是后續(xù)的求解計算方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢,其便捷化的建模方式,及專門設(shè)計用于邊坡穩(wěn)定計算的固有特性,都使得該軟件在邊坡工程中的應(yīng)用越來越普遍,這主要由于其計算精度高,成本低廉。正因如此,本文采用該計算軟件進(jìn)行樁基加固邊坡的效果分析研究。

4 構(gòu)建實(shí)體工程模型

根據(jù)本文前述圖1中的真實(shí)邊坡模型,在Geo-studio 軟件的slope 模塊中構(gòu)建與之一致的用于數(shù)值分析計算的工程邊坡模型,其中邊坡材料將通過構(gòu)建巖土體輪廓進(jìn)行賦予,材料特征通過輸入相應(yīng)的材料力學(xué)模型和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,樁基的設(shè)置采用加固荷載的方式,最后,構(gòu)建的用于計算的兩個不同樁基位置的數(shù)值模型見圖2。

圖2 兩排樁樁基位于邊坡上部和下部

5 數(shù)值模擬結(jié)果

本節(jié)分析比較了兩種不同位置設(shè)置時,樁基對邊坡的加固效果,為此,計算完成后獲得的邊坡安全系數(shù)及臨界滑面位置圖,用于分析邊坡的穩(wěn)定性,此外,土條間法向力隨著X的位移變化用于分析滑體中力的分布。

（1）樁基位于邊坡上部時

當(dāng)采用兩排樁基對邊坡進(jìn)行加固且樁基位于上部位置時,計算結(jié)果見圖4,圖中包含有臨界滑面位置,計算過程中的土條劃分個數(shù),計算后獲得的邊坡安全系數(shù),抗滑樁布置位置（兩根黑色豎線）,邊坡中的水位面位置（下部藍(lán)色線）,由圖可知,當(dāng)采用兩排樁基并將兩排樁基布置于邊坡相對上方部位時,深打進(jìn)基巖的抗滑樁對邊坡的加固效果有限,因計算后的邊坡的安全系數(shù)為0.999,該計算結(jié)果值小于1,說明在此種形式的加固下,邊坡不能穩(wěn)定,將發(fā)生失穩(wěn),僅就樁基布置位置來說,目前樁基位置需要調(diào)整才能夠?qū)崿F(xiàn)期望的加固效果。

圖3 樁基位于邊坡上部時的計算結(jié)果

圖4 樁基位于邊坡上部時條間法向力隨x 的變化

如圖5所示是兩排樁基加固且樁基位于邊坡上部的加固方式時的土條間法向力隨著X 位移增大的變化規(guī)律,由圖可見,由邊坡最上部開始,條間法向力先增大后減小,圖中有兩個突變值,對應(yīng)的X 坐標(biāo),正是抗滑樁的布置位置。

圖5 樁基位于邊坡下部時的計算結(jié)果

（2）樁基位于邊坡下部時

如圖6所示是當(dāng)采用兩排樁基對邊坡進(jìn)行加固且樁基位于下部位置的計算結(jié)果圖,圖中包含有臨界滑面位置,計算過程中的土條劃分個數(shù),計算后獲得的邊坡安全系數(shù),由圖可知,當(dāng)采用兩排樁基并將兩排樁基布置于邊坡相對下方部位時,深打進(jìn)基巖的抗滑樁對邊坡的加固效果明顯提升,計算后的邊坡的安全系數(shù)為1.583,該計算結(jié)果值遠(yuǎn)大于1,說明在此種形式的加固下,邊坡能夠穩(wěn)定。

圖6 樁基位于邊坡下部時條間法向力隨x 的變化

由圖7所示,兩排樁基加固且樁基位于邊坡下部的加固方式時的土條間法向力隨著X 位移增大的變化規(guī)律,由圖可見,由邊坡最上部開始,條間法向力先增大后減小,圖中有兩個突變值,對應(yīng)的X 坐標(biāo),正是抗滑樁的布置位置。可見,其變化過程與采用兩排樁基加固且樁基位于邊坡上部的加固方式時類似。

6 結(jié)論

（1）該工程實(shí)體邊坡在采用兩排樁基加固且樁基位于邊坡上部的加固方式時,加固效果有限,計算所得安全系數(shù)為0.999,邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（2）該道路工程實(shí)體邊坡在采用兩排樁基加固且樁基位于邊坡下部的加固方式時,加固效果明顯,計算所得安全系數(shù)為1.583,邊坡將保持穩(wěn)定存在。

（3）當(dāng)采用兩排樁基加固邊坡,無論樁基布置在邊坡靠近上方部位還是靠近下方部位,土條間法向力隨著X 位移的變化均呈現(xiàn)處先增大后減小的趨勢,在抗滑樁的布置位置處有突變,說明抗滑樁發(fā)揮了作用。