邊坡錨索抗滑樁穩定性及加固方案優化研究

作者簡介：覃尚文（1984—），高級工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

文章以云南省昆明市某邊坡工程為例，基于有限元數值模擬軟件MIDAS GTS，分析了邊坡的位移變化、預應力錨索的軸力分布以及抗滑樁的變形特征，進一步提出錨索抗滑樁的優化方案，使其在降低成本的同時提高邊坡支護效果。主要結論為：（1）邊坡在錨索抗滑樁聯合支護下有較好的穩定性；（2）前排抗滑樁的位移主要表現在樁身露出地表的部分，后排抗滑樁的位移表現在深入地下部分；（3）抗滑樁樁長的變化對邊坡穩定性的增強存在一定的局限性；（4）抗滑樁在施加預應力錨索后，樁身的受力狀態發生了改變，由原本的被動受力轉變為主動受力，從而起到了較好的預加固作用。

錨索抗滑樁；邊坡穩定性；MIDAS GTS有限元軟件

U418.5+2A050155

0?引言

隨著我國基礎建設規模不斷擴大。在鐵路公路、水利工程以及采礦行業飛速發展的同時，出現了大量的人工邊坡。人工邊坡自穩性差，在強降雨作用下容易發生滑動，嚴重威脅著人民的生命財產安全。因此，研究邊坡穩定性問題以及支護新方式顯得尤為關鍵。

近些年來，國內外研究學者針對邊坡錨索抗滑樁穩定性開展了大量的研究。目前的研究方法主要集中于數值分析方法（PFC、ANSYS、FLAC 3D等）與極限平衡法。金布格等［1］提出了一種計算錨索預應力的方法，其原理是先計算出抗滑樁樁頂的水平位移，進而通過公式推導出錨索的預應力，為錨索抗滑樁的工作原理研究打下了堅實的基礎。勵國良［2］提出了基于錨索抗滑樁-滑體計算錨索預應力值，并通過室內試驗對其計算式正確性進行驗證，結果表明：邊坡上部錨索抗滑樁的側向應力的分布規律呈K字型，而普通抗滑樁的側向應力的分布呈矩形，二者的分布方式相似。邵磊［3］通過FLAC 3D軟件建立了有錨索抗滑樁聯合加固支護的邊坡模型，研究了錨固位置改變對錨索抗滑樁受力和位移的影響，結果表明：錨索抗滑樁加固位置的變化對邊坡最大位移的影響較小，對邊坡的安全系數的影響較大。裴強等［4］利用FLAC 3D軟件研究了錨索抗滑樁加固支護邊坡在地震作用下樁身內應力、坡體內應力以及坡體水平位移的變化規律，結果表明：在地震作用下邊坡水平位移減小，這是因為地震使坡體形成了土拱，與普通的抗滑樁相比，預應力錨索-抗滑樁的彎矩分布規律近似“S”型，與剪力的分布規律相反。秦曉睿［5］對錨索預應力抗滑樁的優化方案進行了研究，通過正交試驗對錨索抗滑樁的參數進行優化，與實際工程相結合，得出了設計參數的最佳組合。

錨索抗滑樁支護是一種重要的支擋結構形式，其具有施工便捷、樁位設置靈活和抗彎性能強等優勢，但其在理論方面的研究遠落后于工程實踐。因此，本文基于前人對錨索抗滑樁研究的基礎，結合云南省昆明市某邊坡工程，通過數值模擬的方法，分析了采用錨索抗滑樁支護措施后邊坡的穩定性問題，同時提出了錨索抗滑樁支護的優化方案。

1?工程概況

1.1?工程地質條件

1.1.1?地形地貌

研究區位于云南省昆明市，地勢險峻，地形起伏較大，區域地勢差異較大，主要地貌為高山剝蝕山地陡坡地貌。

1.1.2?地層巖性

研究區地層按結構順序從上至下為：

雜填土，顏色為雜色，主要成分為碎石，粒徑約為0.5～3 cm，厚度約為0.2 m。

黏土，以紅褐色為主，硬塑，稍濕，厚度約為1～2 m，韌性以及干強度中等，結構較松散、有較好的壓實性，容易產生豎直位移集中的沉降現象，巖芯呈短柱狀，表面稍具光澤。

下覆基巖上部為少量全風化玄武巖，灰褐色，大部分巖石已經風化為具有一定塑性的黏土；下覆基巖下部為強風化玄武巖，灰黑-褐紅色，致密狀結構、塊狀構造，節理裂隙較為發育，巖芯呈短柱狀。

1.1.3?軟弱結構面

研究區內地層巖性差異明顯，表現在上下伏巖層軟硬結構面和節理裂隙面，這些軟弱結構面易導致邊坡崩滑。

1.1.4?水文地質

工程區內未發現明顯地表水體存在，地下水主要以第四系孔隙水、巖溶水以及裂隙水為主，裂隙水水量較小，以大氣補給為主。

1.2?滑坡概況

邊坡位于研究區西側，由于坡頂地表層極易產生不均勻沉降、土層較深，發生滑坡的風險較大。在2019年5月，該地區遭遇連續的特大暴雨，導致邊坡部分土體產生坍塌，經過專業人員進行現場勘察，設計出了在邊坡中上部加設錨索抗滑樁的支護方案。加固方案如圖1所示。

2?有限元模型的建立

2.1?MIDAS GTS軟件介紹

MIDAS GTS是MIDAS公司旗下的一款針對巖土工程的有限元分析軟件，擁有較先進的DIANA的有限元分析內核，其非線性分析能力能出色解決在溶洞、隧道、邊坡等各類巖土工程上所遇到的難題，支持十余種本構模型以及多種自定義模型。通過MIDAS GTS軟件中的不同計算模塊可以對錨索抗滑樁支護下的邊坡進行穩定性分析。圖2為MIDAS GTS有限元建模過程［6］。

2.2?細觀參數的確定

細觀參數對MIDAS GTS軟件模擬結果的準確性影響較大，而軟件并不包含細觀參數與宏觀參數的定量關系，因此土體力學參數根據野外調查報告以及室內試驗進行確定，如表1所示為巖土體力學參數［7］。

2.3?網格劃分及邊界條件

MIDAS GTS軟件的網格劃分需要對模型的重點分析部位進行網格加密處理，本文采用單位長度的方法對網格進行尺寸控制，模型網格包括21 167個節點以及103 486個單元。

關于邊界條件，本文首先約束了邊坡左右兩側的位移，即在水平x方向設置位移約束，隨后在豎直y方向設置了模型前后端的位移約束，而模型的底部需要固定不動，故設置了x、y、z 3個方向的位移約束［8］。

2.4?模型的構建

邊坡模型如圖3所示，邊坡坡頂高程為40.2 m，坡底高程為20.2 m，高差為20 m。首先在邊坡底部布設了一排錨索抗滑樁，錨索為4束16 mm的鋼絞線，抗滑樁樁長21 m，伸出地面長度為8 m；坡體中部的錨索預應力抗滑樁與坡底的抗滑樁交錯布設，錨索為3束16 mm的鋼絞線組成，樁長12 m，伸出地面長度為2 m，為懸臂式抗滑樁，如圖4所示。錨索抗滑樁的各個參數取值依照《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）進行取值。

3?模擬結果分析

為研究錨索抗滑樁的加固效果，本節通過研究邊坡水平和豎直方向的位移、不同位置的抗滑樁位移特征以及預應力錨索軸力的分布規律來綜合分析錨索抗滑樁對邊坡穩定性的影響［9］。

3.1?邊坡穩定性分析

如圖5、圖6所示為錨索抗滑樁加固后邊坡的位移云圖。

由圖5、圖6可知，邊坡在水平方向最大的位移為4.25 mm，位于邊坡中上部；豎直方向位移的最大值為14.55 mm，位于坡頂與坡面相交處；邊坡的安全系數為1.392＞1.35（一級邊坡在自重情況下的安全系數最小值），采用錨索抗滑樁加固后邊坡的安全系數能夠滿足設計要求，說明加固效果較好。

邊坡在水平方向的位移較小，在豎直方向的位移較大，這是由于坡表紅黏土層容易產生較大的沉降，因此在實際邊坡工程治理過程中，要重視邊坡坡頂產生的不均勻沉降。

3.2?抗滑樁樁身水平位移分析

如圖7和圖8所示分別為前后排抗滑樁樁身水平位移曲線圖。

由圖7、圖8可知，布設于前排的錨索抗滑樁樁長從0 m增加至10 m時，其樁身水平位移增加了0.11 mm，增幅為33%，當樁長從15 m增加至18 m時，其樁身水平位移增加了0.76 mm，增幅為122%，而隨著樁長的持續下移，樁身水平位移出現一定的下降趨勢，當樁長為15～18 m時，抗滑樁樁身水平位移曲線斜率最大，表明坡底部抗滑樁的水平位移集中于樁身露出坡表處；而布設于后排的錨索抗滑樁樁長在0～4 m、4～10 m所對應的水平位移增長率分別為150%、260%，水平位移在4～10 m的增幅較大，表明坡中部抗滑樁的水平位移集中于樁的中上部。前后排樁的水平位移曲線均呈“r”字形，說明錨索的施加使抗滑樁的受力狀態發生改變，樁從被動受力轉化為主動受力，從而起到了較好的預加固作用。

3.3?預應力錨索軸力分析

圖9為后排錨索軸力分布圖。

由圖9可知，錨索的軸力分布具有分段性，第1階段為錨索自由段，此階段錨索長度為0～12.5 m，對應的錨索軸力均在100 kN左右，表明軸力能夠較為均勻地分布在錨索上；當錨索長度＞12.5 m時，為第2階段（錨索錨固段），錨索軸力呈不斷減小的趨勢，此時軸力的分布會集中于錨索灌漿體的前半部分。兩階段的軸力分布具有明顯差異性，出現該現象是由于后排錨索抗滑樁的三束鋼絞線在12.5 m之前不會直接承擔坡體內部產生的摩阻力，這部分的錨索等于僅一端被約束的桿件，軸力能夠較均勻分布；錨固段錨索的鋼絞線不僅要承擔坡體內部的摩阻力，還要承受灌入錨索內部的漿體阻力，錨索兩端均受到約束，使軸力出現集中分布的情況，所以軸力會逐漸趨近于0。

4?錨索抗滑樁支護方案優化

為了選取錨索抗滑樁樁身長度、錨索預應力、錨索錨固角度以及錨固段長度的最優參數，本節通過調整錨索抗滑樁樁身長度、錨索預應力、錨索錨固角度以及錨固段長度，分析4類因素變化對邊坡穩定性的影響，從而在確保安全系數較高的前提下提高工程經濟效益。

4.1?抗滑樁樁長參數優化

不同抗滑樁樁長條件下的邊坡安全系數變化曲線如圖10所示。

由圖10可知，當抗滑樁樁長從9 m增加至11 m時，邊坡安全系數大幅提高，提高幅度為3.2%；而當抗滑樁樁長從11 m增加至13 m時，邊坡安全系數基本不變，增幅僅為0.01%，說明僅依靠增加樁長難以達到持續增大邊坡安全系數的目的。因此，充分考慮工程實用性以及經濟效益，將抗滑樁的最佳樁長定為11 m。

4.2?錨索預應力參數優化

不同錨索預應力值條件下的邊坡安全系數變化曲線如圖11所示。

由圖11可知，在錨索預應力從50 kN增長到150 kN時，安全系數從1.365增長到1.415，增長率為3.7%；當預應力從150 kN增長到200 kN時，安全系數從1.415增長到1.416，增長率僅為0.07%，表明錨索的預應力處于50～150 kN時，預應力的增大能有效提高邊坡的安全系數。與增加抗滑樁樁長相同，當錨索預應力增加到一定程度時，隨著錨索預應力增加，邊坡安全系數基本不變，綜合考慮將錨索最佳的預應力值定為150 kN。

4.3?錨索錨固角度的參數優化

不同錨固角度條件下的邊坡安全系數變化曲線如圖12所示。

由圖12可知，隨著錨索傾角的增大，邊坡的安全系數不斷減小，但傾角過小可能導致孔內泌水等問題的出現，因此考慮工程實際情況，錨索傾角選為20°較為合理。

4.4?錨固段長度參數優化

不同抗滑樁錨固段長度條件下的邊坡安全系數變化曲線如圖13所示。

由圖3可知，當錨索抗滑樁錨固長度從3 m增長至8 m時，邊坡的安全系數增長了0.03，增長幅度較大；當錨固長度從8 m增長到14 m時，安全系數僅增長了0.002，表明隨著錨固段長度的增加，邊坡的安全系數不斷增大，但與樁身長度和錨索預應力的增長規律相似。當錨固段的長度＞8 m時，邊坡的安全系數趨近于穩定，綜合考慮錨索抗滑樁的工程實用性以及經濟性，錨索的最佳鎖固段長度為8 m。

4.5?優化方案與原方案數值模擬結果對比

由表2可知，與原設計方案相比，優化后邊坡最大總位移、最大水平位移以及最大豎直位移都有不同程度的減小，同時錨索抗滑樁所需的施工材料消耗量減少，邊坡的安全系數提高，說明優化方案不僅提高了經濟效益，也增強了邊坡的加固效果，因此優化后的加固方案更加合理。

5?結語

本文以云南省昆明市某邊坡工程為例，基于MIDAS GTS軟件，對采用錨索抗滑樁加固后邊坡的穩定性進行研究，分析邊坡安全系數以及位移變化，同時提出相應的優化方案，使其經濟效益與安全性均有所提高。

得到如下主要結論：

（1）前排抗滑樁的位移主要集中于樁身露出地表的部分，后排抗滑樁的位移主要集中于深入地下部分。

（2）隨著抗滑樁樁長、錨索預應力的增長，邊坡安全系數不斷增大，但最終增長幅度均趨于平穩。

（3）抗滑樁在施加預應力錨索后，樁身的受力狀態發生了改變，由原本的被動受力轉變為主動受力，從而起到了較好的預加固作用。

［1］金布格，依申柯. 錨索抗滑樁組合結構的計算.滑坡文集（第五集）［M］.北京：中國鐵道出版社，1986.

［2］勵國良.錨索抗滑樁的設計計算及其試驗驗證.滑坡文集（十集）［M］.北京：中國鐵道出版社，1993.

［3］邵?磊.預應力錨索抗滑樁錨固位置優化研究［J］.安全與環境工程，2016，23（2）：143-146，152.

［4］裴?強，夏超南，劉小慶，等.預應力錨索抗滑樁支護邊坡的地震動力響應分析［J］.煤炭技術，2018，37（9）：57-58.

［5］秦曉睿.預應力錨索抗滑樁加固邊坡優化設計研究［D］.北京：中國地質大學（北京），2015.

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