抗滑樁加固高邊坡受力特征影響因素分析

張桂芹

（山東智行咨詢勘察設計院，山東 德州 253000）

0 引言

滑坡作為一種全球性的重大地質災害常造成巨大的社會影響。抗滑樁是滑坡治理手段中最為有效和合理的手段之一。抗滑樁在滑坡災害治理中，樁體的截面尺寸、截面形式以及布樁位置是決定抗滑樁安全可靠的主要影響因素。因此如何對抗滑樁進行合理設計也是國內外學者研究的重點與難點。馬輝和廖小平[1]基于理論推導，研究并提出了兩種新型抗滑樁結構的受力特征，采用工程實例驗證了結論的可行性，研究成果可為相似工程提供經驗借鑒。王茂琿等[2]基于FLAC3D 手段研究了梯形抗滑樁截面側角的土拱效應，提出了合理的樁截面側角的取值范圍，并進一步采用工程實例驗證了梯形抗滑樁的合理布置形式。汪浩等[3]采用有限元方法，研究了錨拉抗滑樁的受力性能，并給出了樁身截面尺寸對樁體的受力影響，保證了抗滑樁加固邊坡的有效性。杜兆萌和肖世國[4]采用理論解析的手段研究了加固膨脹土邊坡的單排抗滑樁受力性能。結果表明，考慮土體的膨脹力時，樁身剪力計算值會顯著增大，且剪力與膨脹力呈正比；反之，如果不考慮膨脹力剪力約降低80%～90%。彭瑜等[5]基于室內物理模型試驗研究了梯形斷面豎向預應力錨索抗滑樁的受力性能。結果表明，其他條件不變的情況下，梯形抗滑樁的受力性能和破壞形態均優于矩形抗滑樁。趙軍等[6]基于強度折減法研究了多排抗滑樁在大型滑坡治理中的受力特征。結果表明，對于滑面較長和下滑力較大的滑坡治理中，多排抗滑樁加固效果明顯比單排樁更優，多排樁可大大改善樁的受力性能，確保邊坡穩定。李家平等[7]基于瑞典法和Bishop 法分析抗滑樁加固邊坡效果。提出了治理所需的最小抗滑力的計算方法，并在此基礎上給出了抗滑樁的合理設計模型。王旋等[8]基于物理模型試驗研究了滑坡- 抗滑樁位移場變化特征。結果表明，降雨和庫水位波動是影響水庫滑坡位移場變化的2 個主要因素。刁海珠[9]基于FLAC3D研究了樁位、樁長對于抗滑樁的加固效果。結果表明，樁位越靠近邊坡中部，加固效果最好，此外，在一定范圍內，邊坡的穩定性隨樁長的增大而提高。

本該基于數值模擬研究了抗滑樁應用于邊坡治理中樁的受力性能，考慮了樁徑、樁嵌固端長度和樁位3 個關鍵因素對樁身內力分布影響。本文的研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況

隨著區域經濟社會快速發展及城鎮化水平的不斷提高，省際間的經濟交流與合作將更加密切，現狀路網結構已不能滿足因經濟快速發展而大幅增長的交通量的需求。目前G240 河北省境內全線已貫穿通車，山東省境內無高等級道路與之連接，已成為省際路網中的“斷頭路”。為此，開展G240 保臺線武城縣魯冀界至楊官屯段改建工程。項目全長為24.150 km，包括新建段長16.269 km，加鋪罩面段長5.376 km，路面改造段長2.505 km；四車道路段路面寬22 m，路基寬24.5、25.5 m ，六車道路段路面寬30 m，路基寬32.5 m；全線路基土方948.025 km3；地下排水設施6.84 km（單側）；瀝青路面627.431 km2；中橋173.28 m/4 座，小橋163.64 m/6 座；涵洞64 道（新建56 道、拆除重建3 道、接長利用2 道、原涵利用3道）；利用分離立交1 處，平面交叉17 處，停車區1處；監控設施9 套，非現場執法設備1 套，交調設施3套。施工中路段高邊坡受強降雨影響，發現邊坡后緣出現多條拉張裂縫，并呈擴展趨勢，采用抗滑樁進行處理。

2 模型建立及分析方法

2.1 模型建立與網格劃分

基于ABAQUS 數值模擬建立計算模型，采用平面應變進行簡化。模型邊界為：左右兩側約束水平方向位移，底部為固定約束，頂部為自由邊界。其中邊坡總寬度為82 m，左側高度為24 m，右側高度為47 m，坡度為1∶1.35。模型見圖1。

圖1 滑坡數值模型圖

2.2 計算參數選取

邊坡主要由碎石土土構成，滑坡土體及抗滑樁的物理力學參數見表1。抗滑樁與土體的接觸為：法向采用硬接觸，切向采用罰函數，切向摩擦系數設為0.40。

表1 巖土體物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 樁徑的影響

圖2 匯總得到了樁徑分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m 情況下，樁身彎矩隨樁長變化規律。結果表明，在保持樁長不變的情況下，樁身彎矩隨樁長先增大后減小。在樁長15 m 的時候，樁身彎矩達到最大值。當樁徑為2.5 m 時，最大彎矩為17000 kN·m。但當樁徑較小時，樁身出現多個反彎點。

圖2 不同樁徑下樁身彎矩隨樁長變化

圖3 為不同樁徑下樁身剪力隨樁長變化，建剪力的變化規律與彎矩變化基本一致，隨樁徑增大，反彎點個數減少。圖4 為抗滑樁布置后，邊坡的穩定系數變化規律，結果表明，隨著樁徑的增大，邊坡的穩定系數逐漸增大，但穩定系數增大的速率逐漸趨于平緩，最終趨于1.0。因此增大抗滑樁直徑對于邊坡的加固效果是有利的。

圖3 不同樁徑下樁身剪力隨樁長變化

圖4 不同樁徑下樁身邊坡穩定系數

3.2 嵌固層深度的影響

為了進一步研究嵌固段深度對抗滑樁加固效果的影響，本文以樁徑為2.0 m 為例，計算了嵌固段深度分別為3 m、6 m 和8 m 時，抗滑樁樁身彎矩、剪力以及樁身位移的分布規律。

圖5 和圖6 為不同嵌固段下樁身彎矩和剪力隨樁長變化。結果表明，樁身彎矩以及剪力在嵌固段為8 m 時處于最大值，3 m 時處于次大，而當抗滑樁嵌固段深度為6 m 時，樁身彎矩、剪力以及位移均為最小。彎矩最大值為11000 kN·m，剪力最大值為1200 kN。從該角度來看，嵌固段深度取6 m 較為合理。

圖5 不同嵌固段下樁身彎矩隨樁長變化

圖6 不同嵌固段下樁身剪力隨樁長變化

圖7 為樁身位移隨樁長變化規律。當嵌固段為8 m 時，樁頂處的位移為1.6 mm、嵌固段為3 m 時，樁頂處位移為0.8 mm，嵌固段為6 m 時，樁頂位移為0.4。整體來看，樁頂位移都比較小，抗滑樁治理效果顯著。

圖7 不同嵌固段下樁身位移隨樁長變化

圖8 樁位布置圖

3.3 樁位的影響

為研究抗滑樁樁位對樁身的內力分布影響，本文分別計算了抗滑樁距坡趾水平距離與總體水平投影長度之比分別為0.2、0.5 和0.8 的工況下，樁的內力隨樁長變化規律。

圖9 為不同樁位下樁身彎矩隨樁長變化規律。結果表明，不同Q 值下，彎矩隨樁長的變化趨勢基本一致，均呈先增大后減小的趨勢。其中當Q=0.8 時彎矩最大，其最大值為1100 kN·m。Q=0.2 時彎矩最小，其最小值為5000 kN·m。

圖9 不同樁位下樁身彎矩隨樁長變化

圖10 為不同樁位下樁身剪力隨樁長變化規律。結果表明，不同Q 值下，剪力隨樁長的變化趨勢基本一致。不同的Q 值對剪力的影響比對彎矩的影響更小。也表現出Q 值的越大對剪力的影響越明顯。

圖10 不同樁位下樁身剪力隨樁長變化

圖11 為樁的水平位移隨樁長的變化趨勢。結果表明，Q=0.8 m 時，樁頂處產生最大位移，其值為1.5 mm，Q=0.2 時，樁頂產生最小值，其值為0.5 mm。

圖11 不同樁位下樁身位移隨樁長變化

總之當Q 值較大時，對應的樁較長，剛度較小，因此在土壓力以及滑坡推力的作用下產生較大的樁身內力和位移。因此，短樁相對長樁而言，其受力性能更優。

4 結語

該文采用數值模擬手段討論了抗滑樁在加固邊坡時，樁身的內力分布，得到以下結論：

（1）樁身彎矩和剪力與樁徑呈正相關關系；抗滑樁能夠顯著提高邊坡的穩定性。此外增大樁的直徑更有利于邊坡的穩定性。

（2）抗滑樁的嵌固段深度對樁的內力分布也會產生影響。具體來看，樁身彎矩以及剪力在嵌固段為8 m 時處于最大值，3 m 時次之，嵌固段深度為6 m時最小，但增大嵌固段長度可以減小樁頂位移。

（3）樁位對于樁身的內力影響表現在，樁位越靠近坡趾，樁體的內力以及樁頂位移越小。因此在實際抗滑樁設計時，要綜合考慮樁的內力分布和樁頂位移。