抗滑樁加固路塹邊坡參數敏感性分析

摘要：為優化抗滑樁加固路塹邊坡支護參數，文章基于ABAQUS數值模擬軟件分析了某路塹邊坡的穩定性，采用強度折減法探討了土體的剪脹性以及抗滑樁加固邊坡效應。結果表明：抗滑樁可以顯著提高邊坡的穩定性，未加固前邊坡的穩定性系數為1.08，抗滑樁加固后邊坡穩定性系數提高至1.15以上；當抗滑樁長度由12 m增大至24 m，邊坡穩定性系數分別提高了0.4、0.6和0.3。綜合來看，20 m樁長為最優長度；抗滑樁樁間距由3 m增大至6 m，邊坡穩定性系數減小速率表現出不同的變化趨勢。對于依托案例而言，當樁間距為4 m時，抗滑樁對邊坡的加固效應最好，工程造價最優。

關鍵詞：抗滑樁；路塹邊坡；數值模擬；加固效果；參數優化

中圖分類號：U416.1+1

0 引言

公路路塹邊坡穩定性是影響公路工程安全運營的重要因素之一。對于路塹邊坡的評價方法通常有極限平衡理論及有限元理論等。范杰林等［1］基于ABAQUS數值有限元系統，研究了堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的穩定性，結果表明，當塑性區擴展貫通時，滑動面發生完全破壞，邊坡失穩，失穩時對應的穩定性系數＜1.0。董自兵［2］基于有限元系統地研究了抗滑樁技術在公路路基邊坡加固中的應用，結果表明，采用抗滑樁加固技術可以使邊坡的位移顯著減小，安全性能夠滿足規范的穩定性要求。此外，抗滑樁施工過程中及施工完成后還應實施長期動態監測。程愛平等［3］綜合采用數值模擬和理論分析研究了成蘭鐵路高陡邊坡穩定性，結果表明，暴雨工況下該路基邊坡有失穩破壞的可能性，采用雙排抗滑樁對高陡邊坡有較好的加固效果，且雙排樁中的后排樁位移明顯大于前排樁，前排抗滑樁樁前土壓力在滑面位置處發生突變。李立書［4］采用有限元軟件建立數值模型分析了矩形抗滑樁在路基高邊坡應用，結果表明，增大抗滑樁長度和截面尺寸可以有效減小邊坡位移和提高安全穩定性，但增大抗滑樁間距會導致邊坡穩定性降低。綜合來看，24 m樁長為最優長度。王江榮等［5］基于MIDAS數值有限元系統地研究了暴雨工況下已加固黃土高填方路基的邊坡穩定性，結果表明，暴雨工況采用抗滑樁加固高填方路基邊坡處于穩定狀態，支護效果明顯。

既有研究在進行邊坡穩定性分析的時候一般不考慮巖土體剪脹性對坡體穩定性的影響。本文采用ABAQUS數值模擬，基于強度折減理論，系統分析了某公路路塹邊坡在加固后邊坡穩定性，研究了巖土體剪脹角對土質邊坡穩定性的影響，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況與數值模型

研究區坡體屬于典型的路塹邊坡。現場鉆探資料發現，地表淺層土體主要成分為碎石土，中部為強風化碳質砂巖，最底部為中等風化的碳質砂巖。其中碎石土呈黃色-黃褐色，稍密，含水率較低，主要成分為全風化的碳質砂巖，碎石含量介于30%～50%；碳質砂巖呈白色-灰白色，強度較高，主要礦物為石英和長石等。邊坡開挖方式如圖1所示，采用三級放坡形式，坡比分別為1∶0.5、1∶0.75和1∶1。每級放坡高度為10 m，平臺馬道寬度位移2.5 m。根據測繪剖面建立數值計算模型（圖2）。建立模型時，為了減小應力波在模型邊界反射造成的誤差，適當對建模范圍進行擴大。最終模型的長度為150 m，高度為80 m。模型的網格總數為22 000個，節點個數為31 120。模型中抗滑樁采用pile單元進行模擬。模型的邊界條件為底部約束三個方向的自由度。左右兩側施加水平方向的約束，頂部為自由面。本文對模型中所采用的土體的物理力學參數如表1所示。巖土體計算本構采用摩爾-庫侖模型，抗滑樁采用線彈性本構。抗滑樁等級采用C30混凝土。其中混凝土的密度為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.21，抗拉強度為3.0×106 Pa，抗壓強度為3.0×107 Pa。

2 計算結果與分析

為了研究抗滑樁加固前后邊坡穩定性的變化規律，本文采用強度折減法進行邊坡穩定性計算。該方法就是隨土體抗剪強度參數的折減，從而實現邊坡由穩定到不穩定的狀態量化。一般認為，當數值有限元達到不收斂或者變形發生突變的時候，會發生連續貫通破壞。強度折減法中內摩擦角和粘聚力的折減方法為：

cr=c/Fs（1）

φr=arctan（（tanφ）/Fs）（2）

式中，c、cr——折減前后后土的粘聚力（kPa）；

φ、φr——折減前后土的內摩擦角（°）；

Fs——強度折減系數或穩定性安全系數。

2.1 剪脹角對坡體安全穩定性的影響

圖3所示為剪脹角分別為0°、5°、10°和15°工況下邊坡穩定性系數的具體大小情況。由圖可知，邊坡穩定性隨剪脹角的增大呈拋物線規律增大，當土體剪脹角為0°時，邊坡穩定性系數為1.35；當土體剪脹角為5°時，邊坡穩定性系數為1.39；當土體剪脹角為10°時，邊坡穩定性系數為1.43；當土體剪脹角為20°時，邊坡穩定性系數為1.45。總體來看，當剪脹角增大到一定程度時，邊坡穩定性系數增長速率變慢。

2.2 抗滑樁最優位置

為系統研究加固位置對邊坡穩定性的影響。本文以坡腳為參考點，由下至上分別設置了4個樁位（分別為1#～4#）（圖4）。樁長均為20 m，樁間距為4 m。圖5展示了邊坡位移與加固位置的相互關系。由圖可知，邊坡的水平變形和豎向變形均表現出先減小后增大的趨勢。當樁位分別位于4個樁位時，邊坡的最大位移分別為7.6 mm、7.2 mm、6.1 mm和7.0 mm。其中在樁位3#的情況下邊坡的變形最小。

圖6展示了抗滑樁位置對邊坡穩定性的影響曲線。由圖可知，未布置抗滑樁時，邊坡的穩定性系數為1.085，小于規范規定的安全系數。采用抗滑樁對邊坡進行加固后，可以顯著提高邊坡的穩定性。其中當抗滑樁處于1#位置時，邊坡的穩定性系數為1.15，當抗滑樁處于2#位置時，邊坡的穩定性系數為1.18，當抗滑樁處于3#位置時，邊坡的穩定性系數為1.28，當抗滑樁處于4#位置時，邊坡的穩定性系數為1.23。總體來看，當抗滑樁由1#移動到位置3#時，邊坡穩定性迅速提高；當抗滑樁移動到4#時，邊坡穩定性減小。結合圖4結果，當抗滑樁位于3#位時，邊坡的變形最小。因此，對于本文研究的邊坡而言，3#為最優樁位。

2.3 抗滑樁最優長度

為進一步研究樁長對邊坡穩定性的影響，本文選擇了4種不同樁長進行分析，樁長分別為12～16 m，樁間距均保持4 m不變。下頁圖7所示為抗滑樁長度對邊坡變形的影響曲線，由圖可知，邊坡的水平變形和豎向變形均表現出隨抗滑樁長度的增大而減小的趨勢。當抗滑樁長度為12 m時，邊坡的最大變形量為7.6 mm，當抗滑樁長度為16 m時，邊坡的最大變形量為7.4 mm，當抗滑樁長度為20 m時，邊坡的最大變形量為6.5 mm，當抗滑樁長度為24 m時，邊坡的最大變形量為6.0 cm。總體來看，邊坡的變形隨樁身長度的增大而減小，且當樁長度由12 m增大至20 m時，邊坡位移變化速率較大，當樁長度由20 m增大至24 m時，邊坡位移減小速率明顯減小。因此，20 m樁長為最優長度。

圖8所示為抗滑樁長度對邊坡穩定性影響。與圖7規律相同，設置抗滑樁后，邊坡的穩定性顯著提高。抗滑樁長度由12 m增大至24 m，邊坡穩定性系數分別提高了0.4、0.6和0.3。因此抗滑樁長度越大，對邊坡穩定性提升越顯著。但當樁長度增大至20 m以上，繼續增大抗滑樁的長度對邊坡的穩定性提升不顯著。綜合來看，20 m樁長為最優長度。

2.4 抗滑樁最優間距

分別選取樁間距為3 m、4 m、5 m和6 m，并固定樁長為20 m，進一步研究樁間距對邊坡穩定性的影響。圖9所示為樁間距對邊坡變形的影響曲線，由圖可知，邊坡的水平向變形和豎向變形均隨樁間距的增大而增大。當樁間距為3 m時，邊坡的最大變形為3.2 mm，當樁間距為4 m時，邊坡的最大變形為3.5 mm，當樁間距為5 m時，邊坡的最大變形為5 mm，當樁間距為3 m時，邊坡的最大變形為7.5 mm。總體來看，當樁間距由3 m增大至4 m時，邊坡變形增大速率較小，當樁間距由4 m增大至6 m過程中，邊坡的位移增大速率較大。

圖10所示為樁間距對邊坡穩定性的影響曲線。與圖9規律相同，當增加設置抗滑樁后，邊坡的穩定性顯著提高，且隨抗滑樁樁間距的增大而減小。當抗滑樁樁間距由3 m增大至6 m，邊坡穩定性系數分別減小了0.3、0.6和0.6。因此，抗滑樁間距越大，對邊坡穩定性越不利。根據樁間距對邊坡變形計穩定性系數的影響綜合來看，當樁間距為4 m時，抗滑樁對邊坡的加固效應最好，工程造價最優。

3 結語

本文基于ABAQUS數值模擬軟件分析了某路塹邊坡的穩定性，采用強度折減法探討了土體的剪脹性以及抗滑樁加固邊坡效應，得到如下幾點結論：

（1）邊坡穩定性隨剪脹角的增大呈拋物線規律增大，當土體剪脹角為0°時，邊坡穩定性系數為1.35；當土體剪脹角為20°時，邊坡穩定性系數為1.45。總體來看，當剪脹角增大到一定程度時，穩定性增大速率變慢。

（2）設置抗滑樁后，邊坡的穩定性顯著提高。抗滑樁長度由12 m增大至24 m時，邊坡穩定性系數分別提高了0.4、0.6和0.3。綜合來看，20 m樁長為最優長度。

（3）抗滑樁樁間距由3 m增大至6 m時，邊坡穩定性系數分別減小了0.3、0.6和0.6。當樁間距為4 m時，抗滑樁對邊坡的加固效應最好，工程造價最優。

參考文獻

［1］范杰林，程玉林.堆載作用下抗滑樁加固路基邊坡的穩定性分析［J］.中國公路，2022，623（19）：94-95.

［2］董自兵.抗滑樁技術在公路路基邊坡加固中的應用［J］.中國公路，2022，612（8）：100-101.

［3］程愛平，燕彥君，李 健，等.成蘭鐵路高陡邊坡穩定性分析及加固措施［J］.武漢大學學報（工學版），2021，54（6）：515-523，578.

［4］李立書.矩形抗滑樁在路基高邊坡應用中的優化分析［J］.公路交通科技（應用技術版），2020，16（11）：54-57.

［5］王江榮，梁永平，任泰明，等.暴雨工況下的已加固黃土高填方路基邊坡穩定性評價［J］.水利規劃與設計，2020，206（12）：108-113.

收稿日期：2024-03-16

作者簡介：周巧云（1991—），工程師，研究方向：交通工程。