含多層泥化夾層邊坡的抗滑樁支護優化設計

王志強，龍鄖鎧，邱培城，劉 飛，郭澎正

(1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500)

0 引言

公路、城市建設和露天礦等工程都需要面對和解決多層巖質邊坡穩定性問題[1]，泥化夾層被認為是控制巖體穩定性的關鍵因素[2]。對含有泥化夾層的邊坡來說，在開挖過程中如果不即時采取有效的支護措施，極易造成邊坡失穩，帶來不必要的損失。抗滑樁因其抗滑能力極強，廣泛應用于含弱層的邊坡支護中[3-4]，發揮著重要的作用。

目前對抗滑樁加固含弱層邊坡效果的研究已經有了大量且成熟的研究成果。基于極限分析法，鄭剛等[5]分析了在靜、動力荷載下樁體位置和樁間距對抗滑樁加固邊坡的效果；基于強度折減法，方健等[6]通過abqus軟件分析了在含有一條夾層的情況下，認為抗滑樁應該設在邊坡的中下部同時樁間距為4倍樁徑時，對邊坡的支護效果最佳。在物理實驗方面，王浩然[7]運用離心模型試驗研究了含弱層路堤邊坡的抗滑樁加固效果，認為樁位于中部的效果好于坡腳。但前人的工作大都只是分析了一條夾層的情況，對于含有多層夾層的邊坡來說，支護方法還鮮有報道。深入探討抗滑樁對于含多層泥化夾層邊坡的支護效果，有重要的理論意義和實際意義，本文在前人的研究基礎上，以云南玉溪研和垃圾站高邊坡項目為依托，通過有限元軟件plaxis建立三維模型，基于強度折減法分析了抗滑樁的樁距和分布位置對含有多層泥化夾層邊坡穩定性的影響，以達到確定支護的最優方法的目的。

1 模型及分析原理

1.1 計算模型和參數

綜合實際工程項目考慮將模型簡化為圖1。邊界條件左右兩側為法向約束，坡體兩側面不考慮沿滑動方向的約束，上部自由邊界，底部為全約束。采用強度折減法計算邊坡整體的安全系數。圖2為計算模型網格劃分圖。巖土材料本構模型采用摩爾-庫侖模型，計算采用的參數見表1。

表1 各材料物理力學計算參數

1.2 靈敏度分析原理

為了確定各個參數對于穩定性影響的顯著性，對于這種參數離散化的模型，我們在分析參數對結果的影響時，常采用靈敏度分析方法[8]。在實際工程中，結構狀態響應函數邊坡穩定性安全系數是研究參數的隱函數，常采用全局差分法作近似計算。

2 計算結果分析與討論

2.1 邊坡滑裂面分析

在不設支護設施時，由圖3可以看出潛在滑動面沿著暴露的最下面一層夾層展面開，破壞主要出現在該夾層及其上部巖層，坡后巖體在坡腳巖體的拉裂作用下擴展到坡頂，最終形成貫通的滑動面。含多層夾層的邊坡失穩形式是典型的“牽引后退式”破壞，此時邊坡的破壞面與均質巖體邊坡不同，不再是整體轉動機制，而是破壞面呈現出沿泥化夾層滑動的趨勢。泥化夾層的存在，大大增加了影響邊坡安全的不確定因素，若支護不當或支護不及時，都將造成巨大的損失，對比圖3,圖4可知，在布設抗滑樁支護后邊坡最大位移由4 200 mm到9.5 mm縮小了近500倍，安全系數由1.056到2.110提高了約2倍。圖4展現的是抗滑樁支護后的塑性變形云圖，可以發現，坡體上部的滑動得到了有效的阻止，不穩定區域沿著抗滑樁向深部巖體擴展，向下延伸了多個層面，并依次沿著泥化夾層面展開，但在抗滑樁的有效阻塞下，變形沒有越過樁體；對于樁下部的巖體來說，不再承擔上部巖體巨大的荷載作用，坡腳沒有剪出，變形也大大減小。綜上，邊坡安全得到了有效保障，進而說明抗滑樁在含多層泥化夾層邊坡的支護中是行之有效的。

2.2 抗滑樁分布位置對邊坡穩定性的影響

將橫向分布間距固定為2D(3 m)(見圖1),Lx每次遞增1.25 m，分析Lx/L從0～1遞增過程中, 抗滑樁分布位置對邊坡穩定性的靈敏度SL和安全系數Fs的變化情況,結果如圖5所示。

圖5中安全系數的分布情況表明在相同樁間距的情況下，將抗滑樁設置在距離坡腳3.75 m (Lx/L=0.375)時，安全系數達到最大值2.11，相比其他工況，對邊坡加固效果最為良好，位于邊坡中部時次之，兩者安全系數相差僅0.03。由圖5可以看出SL曲線呈現比較明顯的變化趨勢，總體上與安全系數走向一致，出現3個拐點，距離邊坡中部越遠時，其變化的幅度越大，對安全系數影響更加敏感。由此可見，抗滑樁分布位置的改變決定了邊坡安全系數的大小。同時抗滑樁位于中部時，其安全系數相比Lx/L=0.375處并沒有明顯的提高，反而為了達到與之相同的效果需要更長的樁長，所以說在經濟上是不合理的。方健[6]和李華勇[9]認為抗滑樁設在中下部效果最佳，本文的研究結果與前人是相一致的，抗滑樁在位置上對邊坡安全系數的影響呈先增大后減小的趨勢，在邊坡中間部位得到最大值，在邊坡上部時影響甚微。

2.3 抗滑樁間距對邊坡穩定性的影響

根據模型的對稱性來確定計算模型的范圍，如圖1所示[10]，抗滑樁底部完全固定，頂部自由，不考慮樁長，將抗滑樁豎向位置固定在Lx/L=0.375處，分析樁間距從2倍樁徑至8倍樁徑對邊坡安全系數Fs和靈敏度SW的影響。

不同抗滑樁間距下的安全系數和靈敏度分布曲線如圖6所示，可以看出，邊坡安全系數隨著抗滑樁樁間距的增大而線性減小，從2.11線性遞減到了1.5，減少了28.4%。從靈敏度來看，變化趨勢較為平緩，其絕對值均在0.1左右，表明抗滑樁間距與安全系數為負相關，影響呈線性變化極其敏感，這主要是在單樁的作用范圍一定的情況下，隨著樁間距的增大，對相鄰兩樁間巖土體的支擋作用逐漸減弱直至沒有。

3 結論

1)含多層泥化夾層的邊坡的破壞性形式是沿著最接近坡腳的弱層形成“折線形”破壞面，與均質邊坡整體轉動機制下的“圓弧形”破壞面有所不同。

2)在抗滑樁由坡腳逐漸向坡頂布置時，邊坡的安全系數呈現先增加后減小的變化規律，在Lx/L=0.375樁位，安全系數最大，支護效果最好。

3)隨著樁間距的增加，安全系數不斷減小，靈敏度呈線性變化。在W/D=2樁位安全系數最大，沒有形成貫通的破壞面。

4)數值模擬結果表明：含有多層泥化夾層邊坡在開挖后及時通過合理的布設抗滑樁能夠有效提高邊坡的穩定性。