抗滑樁在邊坡加固中的應用及參數影響研究

作者簡介：杜 沖（1990—），工程師，主要從事公路設計工作。

摘要：文章探討了抗滑樁在邊坡中的加固效果以及抗滑樁參數變化對邊坡穩定性的影響，得到以下結論：采用抗滑樁加固時，邊坡整體水平位移減小93%，且能有效阻止邊坡塑性區出現貫穿，具有良好的加固效果；一定范圍內增大抗滑樁長度和樁徑可以有效增大邊坡安全系數和減小邊坡塑性區范圍；相比于增大樁長，增大抗滑樁樁徑對增大邊坡安全系數更有利；抗滑樁尤其是短樁，一般應設置在坡體中下部，且以設置在坡腳最佳，不應設置在坡體中上部。

關鍵詞：邊坡工程；抗滑樁；參數分析；數值模擬

中圖分類號：U416.1⁺4

0 引言

近年來，隨著城市建設的不斷發展，人們越來越重視工程建設的安全性和穩定性。在坡度大、土壤松弛、水土流失等復雜地質條件下，很多工程都面臨著土體滑動導致的安全隱患，而邊坡抗滑樁技術作為一種較為成熟的解決方案，已經廣泛應用于地質工程領域中^[1-4]。邊坡抗滑樁是一種增加土體抗滑強度并降低滑坡風險的工程結構，其通過樁身的摩阻和樁內的鋼筋混凝土，增加了土體和樁之間的粘結力，從而形成一種有效的抗滑結構體系^[5-6]。一般而言，邊坡抗滑樁方案的設計涉及多種因素，如邊坡坡度、地層性質、坡面荷載等，在抗滑樁的長度、直徑、間距等設計參數上，也需要依據工程現場情況靈活調整^[7-10]。因此，對邊坡抗滑樁技術的優化設計和參數影響研究，有助于提高邊坡的抗滑能力和工程安全穩定能力^[11-12]。本文旨在探討抗滑樁在邊坡中的加固效果以及抗滑樁參數變化對邊坡穩定性的影響，以期為邊坡工程抗滑措施的優化設計提供指導。

1 工程概況

某邊坡位于西南某地區，以粉質黏土為主，土質較為松軟，導致路基邊坡的穩定性存在一定隱患，給公路交通帶來了安全風險。為了提高邊坡的穩定性和可靠性，擬采用抗滑樁加固技術。圖1為抗滑樁加固邊坡示意圖。

2 數值建模

2.1 模型的建立

如圖2所示，使用大型有限元軟件ANSYS建立了數值分析二維模型，該邊坡模型整體長和高分別為105 m和40 m?？够瑯堕L度取12 m，抗滑樁截面為圓形，樁徑為1.4 m，樁位為10 m。建模過程中所有結構均采用實體模型建立，計算采用摩爾-庫侖本構模型。

2.2 參數賦值

表1為邊坡土體的物理力學參數表。表2是抗滑樁的基本力學參數。

3 抗滑樁加固邊坡及影響因素分析

3.1 抗滑樁加固前后邊坡穩定性分析

下頁圖3所示為抗滑樁加固前后的邊坡的水平位移對比云圖。由圖3可知，當無抗滑樁時，邊坡最大水平位移出現在坡趾附近，最大水平位移為1.83 m；當采用抗滑樁加固時，邊坡整體水平位移明顯減小，最大水平位移出現在了抗滑樁樁頂附近，邊坡最大水平位移為0.13 m，同比減小了93%。

圖4所示為抗滑樁加固前后的邊坡等效塑性應變云圖。由圖4可知，當無抗滑樁時，邊坡塑性區出現了從坡頂到坡趾的貫穿，最大應變值為0.39；當采用抗滑樁加固時，由于抗滑樁的存在，有效阻止了邊坡塑性區出現貫穿，且塑性區寬度變窄，此時最大應變值為0.33，較無抗滑樁時減小了15.4%。

綜上可知，采用抗滑樁對邊坡坡體加固具有良好的應用效果。

3.2 抗滑樁參數變化時的邊坡穩定性分析

抗滑樁加固效果的發揮與參數的選擇密切相關，為了研究抗滑樁參數變化對邊坡穩定性的影響，本節主要研究抗滑樁樁長L、樁徑D和樁位R的影響。

3.2.1 抗滑樁樁長L的影響

如圖5所示，給出了邊坡安全系數隨抗滑樁樁長變化曲線，樁長分別取10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m和22 m。由圖5可知，相比于樁長取10 m時，樁長取12 m、14 m、16 m、18 m、20 m和22 m時邊坡安全系數分別增大了2.0%、3.5%、4.5%、6.2%、6.9%和6.8%，即當樁長＜20 m時，邊坡安全系數隨著樁長的增大基本呈現出線性增長。在樁長20 m時邊坡安全系數達到峰值1.262，此時邊坡安全系數相比樁長為10 m時增大了6.9%，當樁長繼續增大時，邊坡安全系數略減小。由此說明，增大抗滑樁長度一定程度上可以有效增大邊坡安全系數，但當抗滑樁長度超過一定值后，增大樁長反而會降低邊坡安全系數。

為了對抗滑樁樁長變化帶來的影響進行更加細致的分析，如圖6所示，給出了不同抗滑樁樁長時的邊坡等效塑性應變云圖，重點對樁長取18 m、20 m和22 m時的工況進行分析。

由圖6可知，當抗滑樁樁長取18 m時，抗滑樁的樁底遭受剪切作用，邊坡塑性區出現了明顯從坡頂到坡趾的貫穿，最大應變值為0.31；當抗滑樁樁長取20 m時，由于樁的加長，使得原來貫穿的塑性區被阻斷，且坡頂塑性區寬度明顯減小，此時最大應變值為0.15；當抗滑樁樁長取22 m時，由于樁的持續加長，使得原來貫穿的塑性區進一步得到阻斷，但相對樁長取20 m時邊坡塑性區范圍無明顯改善，此時最大應變值為0.14。

綜上可知，增大抗滑樁長度可以有效減小邊坡塑性區范圍，但當抗滑樁的樁長過小時，仍無法承受上部滑體產生的下滑力，因此，從安全和經濟角度出發，該工程中抗滑樁樁長以取20 m為宜。

3.2.2 抗滑樁樁徑D的影響

抗滑樁樁徑D對抗滑樁作用的發揮有著重要的影響，如圖7所示，給出了邊坡安全系數隨抗滑樁樁徑變化曲線，樁徑分別取1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m和2.2 m。由圖7可知，相比于樁徑取1.2 m時，取1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m和2.2 m時邊坡安全系數分別增大了2.2%、3.3%、5.2%、7.2%和7.3%，即隨著樁徑的增大，邊坡安全系數呈現出整體增大的變化趨勢。在樁徑＜2.0 m時，邊坡安全系數隨著樁徑的增大基本呈現出線性增長，當樁徑繼續增大時，邊坡安全系數增長變緩小。由此說明，一定范圍內增大抗滑樁樁徑可以有效增大邊坡安全系數，但當抗滑樁樁徑超過一定值后，再增大抗滑樁樁徑時邊坡安全系數基本不再增加。此外，對比圖5和圖7可以發現，相比于增大樁長，增大抗滑樁樁徑對增大邊坡安全系數更有利。

如圖8所示，給出了不同抗滑樁樁徑時的邊坡等效塑性應變云圖，重點對樁徑取1.8 m、2.0 m和2.2 m時的工況進行分析。由圖8可知，當抗滑樁樁徑取1.8 m時，邊坡出現了兩道明顯的塑性區；隨著樁徑的增大，當抗滑樁樁徑取2.0 m時，邊坡塑性區只剩余明顯的一道，且塑性區范圍也明顯減?。划斂够瑯稑稄饺?.2 m時，邊坡塑性區基本無變化。綜上可知，一定程度上增大抗滑樁樁徑，可以有效減小邊坡塑性區范圍，提高邊坡的穩定性，從安全和經濟角度考慮，該工程中抗滑樁樁徑以取2.0 m為宜。

3.2.3 抗滑樁樁位R的影響

如圖9所示，給出了邊坡安全系數隨抗滑樁樁位變化曲線，這里定義從樁中心至邊坡坡腳的水平距離為“樁位R”，樁位R分別取0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m。由圖9可知，相比于樁位取0 m時，樁位取5 m、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m時邊坡安全系數分別減小了1.8%、1.9%、2.4%、2.1%、4.1%和6.0%，即隨著樁位R的增大，邊坡安全系數呈現出整體減小的變化趨勢，說明抗滑樁設置在坡腳時邊坡穩定性最好。當樁位R＜20 m時，隨著樁位的增大，邊坡安全系數減小趨勢較緩慢；在樁位＞20 m時，隨著樁位的增大，邊坡安全系數急劇降低。因此，抗滑樁一般應設置在坡體中下部，且以設置在坡腳最佳，不應設置在坡體中上部。

如下頁圖10所示，給出了不同抗滑樁樁位時的邊坡等效塑性應變云圖，重點對樁位R取15 m、20 m和25 m時的工況進行分析。由圖10可知，當樁位由15 m增大至20 m時，邊坡塑性區進一步增大，抗滑樁的作用效果進一步削弱；當樁位繼續增大至25 m時，邊坡塑性區基本發生貫通。由此可知，邊坡抗滑樁應合理的布設在邊坡坡體的中下部，尤其當樁長較短時。

4 結語

本文以某邊坡加固為例，探討了抗滑樁在邊坡中的加固效果以及抗滑樁參數變化對邊坡穩定性的影響，得到以下結論：

（1）采用抗滑樁加固時，邊坡整體水平位移減小了93%，且能有效阻止邊坡塑性區出現貫穿，具有良好的加固效果。

（2）一定程度上增大抗滑樁長度和樁徑可以有效增大邊坡安全系數和減小邊坡塑性區范圍，從安全和經濟角度考慮該工程中抗滑樁樁長以取20 m、樁徑以取2.0 m為宜。

（3）相比于增大樁長，增大抗滑樁樁徑對增大邊坡安全系數更有利。

（4）抗滑樁尤其是短樁，一般應設置在坡體中下部，且以設置在坡腳最佳，不應設置在坡體中上部。

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