抗滑樁長度對軟弱夾層邊坡開挖穩定性影響的研究

武君夢

（河南省海河流域水利事務中心，河南 新鄉 453000）

1 前言

軟弱夾層是邊坡中巖土體力學性質較差的部分，亦是影響邊坡穩定性的關鍵因素，許多學者基于軟弱夾層特性進行了相應的研究。李龍起等通過光柵監測、模型試驗等方法，研究了降雨入滲對邊坡穩定性的影響。研究結果表明：無支護的邊坡位移有突發性，有支護的邊坡位移有漸變的特征，且巖層傾角為35°時的層間相對變形最大。許四法等通過數值模擬的方法，研究了降雨入滲對邊坡滲流的影響。研究結果表明：基質吸力受降雨強度的影響，且邊坡變形隨軟弱夾層的埋深增加而逐漸增加。王杜等采用Flac3d 軟件模擬了含軟弱夾層的路塹邊坡開挖過程。研究結果表明：邊坡變形與開挖深度呈正比，且邊坡的整體滑動受軟弱層的控制，采用抗滑樁可有效支護邊坡變形。以新鄉某邊坡為例，采用Flac3d有限差分軟件，研究軟弱夾層及抗滑樁長度對邊坡開挖穩定性的影響。

2 含軟弱夾層邊坡概況

2.1 邊坡工程概況

某邊坡治理工程位于新鄉市，模型整體長110 m，左側邊界高60 m，右側邊界高30 m。邊坡上層主要分布有風化砂巖，下部主要為硬質砂巖，風化邊界如圖中虛線所示。其中砂巖多為長石石英砂巖，呈淺灰、紫紅色，中～細粒結構，泥質膠結，且風化砂巖質地相對較軟。同時，該邊坡含有兩層軟弱夾層R1和R2，分布情況如圖1所示。其中軟弱夾層主要成分為淺黃色的粉質粘土，夾層厚度為4 m，傾角為19°，分別位于風化砂巖區域和硬質砂巖層中。巖層物理力學參數如表1所示。

表1 邊坡巖體物理力學參數表

2.2 邊坡開挖方式及支護結構設置

邊坡擬分二步開挖，開挖形式如圖1所示。根據邊坡裂隙出現的位置及數值監測結果，結合鉆孔巖芯判定結果，可初步判斷邊坡滑動變形將出現在R1 處軟弱夾層帶，風化邊界亦有發生滑動的風險。為此，擬設置抗滑樁結合錨桿的支護形式進行邊坡加固，抗滑樁擬設置在一級邊坡坡腳處，錨桿設置在一級邊坡。

圖1 邊坡示意圖

其中采用直徑1.40 m，長15 m（埋深8 m）的圓樁體抗滑樁，截面積為1.54 m2，扭轉常量IX 為3.8×10-1m4，截面慣性矩（IY和IZ）為1.8×10-1m4，主要采用人工開挖，輔以風鎬風鉆，遇到硬質石方時采用淺孔爆破的方法掘進；錨桿縱向間距1.30 m，橫向間距1.20 m，垂直于墻面施作，錨桿鉆孔直徑φ80 mm，施工傾角為5°，假設錨桿符合彈性假定，長度為9 m（自由段4 m，錨固段5 m），截面積為4.3×10-4m2，扭轉常量IX為2.9×10-8m4，截面慣性矩（IY 和IZ）為1.5×10-8m4。材料計算參數按照實際工程進行取值，如表2、表3所示。

表2 抗滑樁單元力學參數表

表3 錨索單元力學參數表

3 數值模擬

3.1 模型建立

采用Rhino6.5 軟件進行三維邊坡建模，模型左、右側邊界采用法向約束，模型底面采用軸向約束，模型頂面不采用約束條件。為提高模型計算精確度，同時減少模型計算時間，對軟弱夾層帶及邊坡潛在滑動面附近進行網格細化，模型邊界網格相對放大。模型共計21 345 個網格單元，18 945 個計算節點。進行邊坡支護時，采用cable單元模擬錨桿，采用pile單元模擬抗滑樁，邊坡巖土體采用摩爾庫倫模型進行模擬。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 水平位移分析

二級邊坡開挖后，坡面出現最大水平位移，數值約為9.90 mm，二級邊坡整體平均水平位移約為4.50 mm，邊坡整體穩定。一級邊坡開挖后，坡面最大水平位移約為18 mm，小于邊坡允許值，說明采用抗滑樁+錨桿的支護效果較好。

邊坡軟弱滑動面影響了邊坡潛在滑動面的形成，當軟弱夾層靠近邊坡坡面時，滑動面一般沿軟弱夾層發生滑動，當邊坡開挖較深時，滑動面以巖層的風化界面為主。因此實際工程中，應根據軟弱夾層以及巖層風化界面的相對位置，采取不同的支護措施。同時，加強一級邊坡坡腳以及二級邊坡坡腳處的位移監測。

3.2.2 抗滑樁樁長對邊坡穩定性影響分析

3.2.2.1 最大水平位移分析

為研究抗滑樁樁長邊坡穩定性的影響規律，此研究設計了不同樁長的數值模擬方案。圖2 為邊坡最大水平位移隨抗滑樁長度變化規律圖，如圖所示，邊坡最大水平位移隨抗滑樁樁長增加而逐漸減小，當抗滑樁樁長為15 m時，最大水平位移為18 mm，當抗滑樁取16 m、17 m、18 m和19 m時，最大水平位移分別減小了22.20%、44.40%、50%和52.80%。可以看出，當樁長增加至17 m以上后，支護效果不再增長顯著。

圖2 邊坡最大水平位移隨樁長變化規律圖

3.2.2.2 邊坡治理效果分析

邊坡穩定安全系數以及最大有效塑性應變是衡量邊坡治理效果的重要指標。不同樁長的邊坡各項指標如表4所示。

表4 不同樁長下邊坡的各項指標表

由表4 可知，當抗滑樁取15 m 長度時，邊坡安全系數為1.03，最大有效塑形應變為1.64，邊坡穩定性欠佳，實際工程中需采取強度更高的支護措施，以進一步提高邊坡穩定性。而當抗滑樁增加至17 m時，邊坡安全系數為1.31，提高了約28%，最大有效塑形應變降低了約61%，此時的邊坡治理效果較其他抗滑樁長度工況而言，提高最為顯著。

綜合分析以上三個指標可知，抗滑樁取17 m時，支護效果提高最顯著，性價比最高。因此在實際工程中應適當加長抗滑樁的長度至17 m，以控制邊坡的最大水平位移。

3.2.3 監測孔數值模擬結果與實際監測結果對比分析

為監測開挖過程中含軟弱夾層邊坡的位移情況，采用陣列式MEMS位移傳感器監測法，在坡體上進行監測孔鉆進及傳感器布置，如圖1所示。

圖3為邊坡分二步開挖后，邊坡監測孔水平位移的數值分析結果。可以看出，在二級邊坡開挖后，監測孔最大水平位移為9.90 mm，位于監測孔深度7 m 處，正處于邊坡的軟弱夾層帶，同時監測孔7 m往下深度發生突變，急劇減小為0 mm，說明二級邊坡開挖后，邊坡主要沿軟弱夾層帶發生滑動。一級邊坡開挖后，邊坡整體水平位移增加，最大水平位移約為17.90 mm，位于監測孔深度16 m處，位于巖層的風化界面處，同時16 m深度往下的邊坡水平位移發生突變，數值急劇減小為0，說明一級邊坡開挖后，不再沿軟弱夾層帶發生滑動，而是整體沿風化界面發生滑動。

圖4 為監測孔的水平位移監測結果，可以看出，監測孔水平位移隨監測時間的增加而逐漸增大，且監測孔水平位移沿豎直方向的變化規律呈現為先逐漸增加至潛在滑動面，后急劇減小的趨勢。

綜合分析圖3和圖4不難看出，計算結果與監測結果之間存在約8%的數值誤差，各級邊坡開挖后深層水平位移的計算結果與現場監測數據吻合度較高，變形趨勢有局部差異，這可能是模型概化時原有存在的次要軟弱夾層與巖體進行了歸并所致。結合監測孔變形來看，監測孔的水平位移計算結果與實際監測結果在數值以及變化規律上基本保持一致，數值模擬結論正確。

圖3 監測孔水平位移計算結果圖

圖4 監測孔水平位移監測結果圖

4 結論

以某邊坡為例，采用Flac3d 有限差分軟件，研究了軟弱夾層及其厚度對邊坡開挖穩定性的影響。研究結果表明：①邊坡開挖后的一級邊坡坡面最大水平位移約為18 mm，小于邊坡允許最大水平位移20 mm，采用的抗滑樁+錨桿的支護效果較好。②邊坡最大水平位移隨抗滑樁樁長增加而逐漸減小，當樁長增加至17 m以上后，支護效果不再增長顯著，因此在實際工程中應適當加長抗滑樁的長度至17 m，以控制邊坡的最大水平位移。③監測孔水平位移隨監測時間的增加而逐漸增大，且監測孔水平位移沿豎直方向的變化規律呈現為先逐漸增加至潛在滑動面，后急劇減小的趨勢。計算結果與監測結果間存在約8%的數值誤差，監測孔水平位移計算與實際監測結果在數值以及變化規律上基本保持一致。