抗滑樁在邊坡加固中的應(yīng)用及參數(shù)影響研究

作者簡(jiǎn)介：杜 沖（1990—），工程師，主要從事公路設(shè)計(jì)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(shù)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：采用抗滑樁加固時(shí)，邊坡整體水平位移減小93%，且能有效阻止邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)貫穿，具有良好的加固效果；一定范圍內(nèi)增大抗滑樁長(zhǎng)度和樁徑可以有效增大邊坡安全系數(shù)和減小邊坡塑性區(qū)范圍；相比于增大樁長(zhǎng)，增大抗滑樁樁徑對(duì)增大邊坡安全系數(shù)更有利；抗滑樁尤其是短樁，一般應(yīng)設(shè)置在坡體中下部，且以設(shè)置在坡腳最佳，不應(yīng)設(shè)置在坡體中上部。

關(guān)鍵詞：邊坡工程；抗滑樁；參數(shù)分析；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U416.1⁺4

0 引言

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視工程建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性。在坡度大、土壤松弛、水土流失等復(fù)雜地質(zhì)條件下，很多工程都面臨著土體滑動(dòng)導(dǎo)致的安全隱患，而邊坡抗滑樁技術(shù)作為一種較為成熟的解決方案，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程領(lǐng)域中^[1-4]。邊坡抗滑樁是一種增加土體抗滑強(qiáng)度并降低滑坡風(fēng)險(xiǎn)的工程結(jié)構(gòu)，其通過(guò)樁身的摩阻和樁內(nèi)的鋼筋混凝土，增加了土體和樁之間的粘結(jié)力，從而形成一種有效的抗滑結(jié)構(gòu)體系^[5-6]。一般而言，邊坡抗滑樁方案的設(shè)計(jì)涉及多種因素，如邊坡坡度、地層性質(zhì)、坡面荷載等，在抗滑樁的長(zhǎng)度、直徑、間距等設(shè)計(jì)參數(shù)上，也需要依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況靈活調(diào)整^[7-10]。因此，對(duì)邊坡抗滑樁技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)影響研究，有助于提高邊坡的抗滑能力和工程安全穩(wěn)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(shù)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為邊坡工程抗滑措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某邊坡位于西南某地區(qū)，以粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)較為松軟，導(dǎo)致路基邊坡的穩(wěn)定性存在一定隱患，給公路交通帶來(lái)了安全風(fēng)險(xiǎn)。為了提高邊坡的穩(wěn)定性和可靠性，擬采用抗滑樁加固技術(shù)。圖1為抗滑樁加固邊坡示意圖。

2 數(shù)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(shù)值分析二維模型，該邊坡模型整體長(zhǎng)和高分別為105 m和40 m。抗滑樁長(zhǎng)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(guò)程中所有結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體模型建立，計(jì)算采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型。

2.2 參數(shù)賦值

表1為邊坡土體的物理力學(xué)參數(shù)表。表2是抗滑樁的基本力學(xué)參數(shù)。

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(wěn)定性分析

下頁(yè)圖3所示為抗滑樁加固前后的邊坡的水平位移對(duì)比云圖。由圖3可知，當(dāng)無(wú)抗滑樁時(shí)，邊坡最大水平位移出現(xiàn)在坡趾附近，最大水平位移為1.83 m；當(dāng)采用抗滑樁加固時(shí)，邊坡整體水平位移明顯減小，最大水平位移出現(xiàn)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(yīng)變?cè)茍D。由圖4可知，當(dāng)無(wú)抗滑樁時(shí)，邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)了從坡頂?shù)狡轮旱呢灤畲髴?yīng)變值為0.39；當(dāng)采用抗滑樁加固時(shí)，由于抗滑樁的存在，有效阻止了邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)貫穿，且塑性區(qū)寬度變窄，此時(shí)最大應(yīng)變值為0.33，較無(wú)抗滑樁時(shí)減小了15.4%。

綜上可知，采用抗滑樁對(duì)邊坡坡體加固具有良好的應(yīng)用效果。

3.2 抗滑樁參數(shù)變化時(shí)的邊坡穩(wěn)定性分析

抗滑樁加固效果的發(fā)揮與參數(shù)的選擇密切相關(guān)，為了研究抗滑樁參數(shù)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，本節(jié)主要研究抗滑樁樁長(zhǎng)L、樁徑D和樁位R的影響。

3.2.1 抗滑樁樁長(zhǎng)L的影響

如圖5所示，給出了邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁樁長(zhǎng)變化曲線，樁長(zhǎng)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(zhǎng)取10 m時(shí)，樁長(zhǎng)取12 m、14 m、16 m、18 m、20 m和22 m時(shí)邊坡安全系數(shù)分別增大了2.0%、3.5%、4.5%、6.2%、6.9%和6.8%，即當(dāng)樁長(zhǎng)＜20 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著樁長(zhǎng)的增大基本呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)。在樁長(zhǎng)20 m時(shí)邊坡安全系數(shù)達(dá)到峰值1.262，此時(shí)邊坡安全系數(shù)相比樁長(zhǎng)為10 m時(shí)增大了6.9%，當(dāng)樁長(zhǎng)繼續(xù)增大時(shí)，邊坡安全系數(shù)略減小。由此說(shuō)明，增大抗滑樁長(zhǎng)度一定程度上可以有效增大邊坡安全系數(shù)，但當(dāng)抗滑樁長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，增大樁長(zhǎng)反而會(huì)降低邊坡安全系數(shù)。

為了對(duì)抗滑樁樁長(zhǎng)變化帶來(lái)的影響進(jìn)行更加細(xì)致的分析，如圖6所示，給出了不同抗滑樁樁長(zhǎng)時(shí)的邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，重點(diǎn)對(duì)樁長(zhǎng)取18 m、20 m和22 m時(shí)的工況進(jìn)行分析。

由圖6可知，當(dāng)抗滑樁樁長(zhǎng)取18 m時(shí)，抗滑樁的樁底遭受剪切作用，邊坡塑性區(qū)出現(xiàn)了明顯從坡頂?shù)狡轮旱呢灤畲髴?yīng)變值為0.31；當(dāng)抗滑樁樁長(zhǎng)取20 m時(shí)，由于樁的加長(zhǎng)，使得原來(lái)貫穿的塑性區(qū)被阻斷，且坡頂塑性區(qū)寬度明顯減小，此時(shí)最大應(yīng)變值為0.15；當(dāng)抗滑樁樁長(zhǎng)取22 m時(shí)，由于樁的持續(xù)加長(zhǎng)，使得原來(lái)貫穿的塑性區(qū)進(jìn)一步得到阻斷，但相對(duì)樁長(zhǎng)取20 m時(shí)邊坡塑性區(qū)范圍無(wú)明顯改善，此時(shí)最大應(yīng)變值為0.14。

綜上可知，增大抗滑樁長(zhǎng)度可以有效減小邊坡塑性區(qū)范圍，但當(dāng)抗滑樁的樁長(zhǎng)過(guò)小時(shí)，仍無(wú)法承受上部滑體產(chǎn)生的下滑力，因此，從安全和經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，該工程中抗滑樁樁長(zhǎng)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(duì)抗滑樁作用的發(fā)揮有著重要的影響，如圖7所示，給出了邊坡安全系數(shù)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(shí)，取1.4 m、1.6 m、1.8 m、2.0 m和2.2 m時(shí)邊坡安全系數(shù)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(shù)呈現(xiàn)出整體增大的變化趨勢(shì)。在樁徑＜2.0 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨著樁徑的增大基本呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)，當(dāng)樁徑繼續(xù)增大時(shí)，邊坡安全系數(shù)增長(zhǎng)變緩小。由此說(shuō)明，一定范圍內(nèi)增大抗滑樁樁徑可以有效增大邊坡安全系數(shù)，但當(dāng)抗滑樁樁徑超過(guò)一定值后，再增大抗滑樁樁徑時(shí)邊坡安全系數(shù)基本不再增加。此外，對(duì)比圖5和圖7可以發(fā)現(xiàn)，相比于增大樁長(zhǎng)，增大抗滑樁樁徑對(duì)增大邊坡安全系數(shù)更有利。

如圖8所示，給出了不同抗滑樁樁徑時(shí)的邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，重點(diǎn)對(duì)樁徑取1.8 m、2.0 m和2.2 m時(shí)的工況進(jìn)行分析。由圖8可知，當(dāng)抗滑樁樁徑取1.8 m時(shí)，邊坡出現(xiàn)了兩道明顯的塑性區(qū)；隨著樁徑的增大，當(dāng)抗滑樁樁徑取2.0 m時(shí)，邊坡塑性區(qū)只剩余明顯的一道，且塑性區(qū)范圍也明顯減小；當(dāng)抗滑樁樁徑取2.2 m時(shí)，邊坡塑性區(qū)基本無(wú)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(qū)范圍，提高邊坡的穩(wěn)定性，從安全和經(jīng)濟(jì)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(shù)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(shí)，樁位取5 m、10 m、15 m、20 m、25 m和30 m時(shí)邊坡安全系數(shù)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(shù)呈現(xiàn)出整體減小的變化趨勢(shì)，說(shuō)明抗滑樁設(shè)置在坡腳時(shí)邊坡穩(wěn)定性最好。當(dāng)樁位R＜20 m時(shí)，隨著樁位的增大，邊坡安全系數(shù)減小趨勢(shì)較緩慢；在樁位＞20 m時(shí)，隨著樁位的增大，邊坡安全系數(shù)急劇降低。因此，抗滑樁一般應(yīng)設(shè)置在坡體中下部，且以設(shè)置在坡腳最佳，不應(yīng)設(shè)置在坡體中上部。

如下頁(yè)圖10所示，給出了不同抗滑樁樁位時(shí)的邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，重點(diǎn)對(duì)樁位R取15 m、20 m和25 m時(shí)的工況進(jìn)行分析。由圖10可知，當(dāng)樁位由15 m增大至20 m時(shí)，邊坡塑性區(qū)進(jìn)一步增大，抗滑樁的作用效果進(jìn)一步削弱；當(dāng)樁位繼續(xù)增大至25 m時(shí)，邊坡塑性區(qū)基本發(fā)生貫通。由此可知，邊坡抗滑樁應(yīng)合理的布設(shè)在邊坡坡體的中下部，尤其當(dāng)樁長(zhǎng)較短時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shù)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

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

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

（3）相比于增大樁長(zhǎng)，增大抗滑樁樁徑對(duì)增大邊坡安全系數(shù)更有利。

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

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