抗滑樁在岸坡滑坡治理中的受力特征研究

李滿水

（江西科信水利工程勘測設(shè)計有限公司，江西 上饒 334000）

抗滑樁是滑坡治理的主要支擋結(jié)構(gòu)，已在邊坡治理中得到了廣泛應(yīng)用[1]。對于庫岸邊坡，在水的侵蝕作用下，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)弱化，邊坡穩(wěn)定性極大降低[2-5]。庫岸消落區(qū)環(huán)境整治工作中經(jīng)常會對不穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行加固處理，而抗滑樁-土層錨桿-護腳墻是一種常用的邊坡加固措施，抗滑樁受力及變形特征決定著其加固效果?；陂L江某庫岸邊坡加固工程，采用有限元計算模型模擬研究高/低水位工況和高水位降至低水位工況下邊坡的穩(wěn)定性情況和抗滑樁的受力及變形特征，明晰不同工況下邊坡的潛在破壞面。研究成果可為類似工況下邊坡的穩(wěn)定性研究及其加固處理提供參考。

1 工程概況

該邊坡為長江庫岸邊坡，由于坡體多為土質(zhì)和土巖混合邊坡，其抗沖蝕能力差，且受水的侵蝕影響大，加之在長江庫區(qū)水位漲落變化影響下，邊坡整體穩(wěn)定性較差。前期采用搜索滑面法和推測滑面法分別計算了邊坡在不同水位工況下的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果詳見表1。由表1 可以看出，無論是高/低水位工況（工況1 和工況2）還是高水位驟降至低水位工況（工況3 和工況4），邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均較小，無法滿足規(guī)范要求，需要對其進(jìn)行加固處理。采用的治理方案為抗滑樁+土層錨桿+護腳墻，具體為：在175 m 處設(shè)5 m的平臺，該平臺即為抗滑樁頂部，175.0～185.0 m采用“土層錨桿+噴植被混凝土+立體生態(tài)防護網(wǎng)”支護，150 m 以下采用錨桿格構(gòu)加固，底部采用漿砌石護腳。

表1 不同水位工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)邊坡地勘資料與治理設(shè)計圖紙，采用Midas-GTS NX 建立該斷面的有限元計算模型，網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格劃分。對模型底部約束X、Y 兩個方向的位移，對模型左、右兩側(cè)約束X方向位移。根據(jù)不同工況的水位情況賦予巖土體材料不同的參數(shù)，水位線上采用天然容重、天然黏聚力和天然內(nèi)摩擦角，水位線下采用浮容重、飽和黏聚力和飽和內(nèi)摩擦角，具體參數(shù)詳見表2。網(wǎng)格劃分時將基巖邊界尺寸控制在4～5 m，而關(guān)鍵區(qū)域（覆蓋土層）的網(wǎng)格尺寸控制在1～2 m。該庫岸邊坡的計算模型及網(wǎng)格劃分如圖1 所示。抗滑樁采用1D 線單元進(jìn)行模擬，容重為25 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為30 GPa?？够瑯吨睆饺?.5 m，樁間距取6 m?？够瑯秵卧捎弥踩胧搅簡卧幚?。

圖1 有限元數(shù)值計算模型及網(wǎng)格劃分

表2 邊坡巖土體和結(jié)構(gòu)單元計算參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同水位工況下支護后邊坡的滑動趨勢分析

邊坡進(jìn)行“抗滑樁+土層錨桿+護腳墻”加固后，提取出不同水位工況下邊坡變形位移分布圖。不同工況下邊坡的最大剪應(yīng)變云圖和水平位移云圖分別如圖2—3 所示。不同工況下邊坡水平位移均主要集中在邊坡上部和中部。對175 m 高水位工況，最大剪應(yīng)力帶分布在邊坡中部和上部，且上部的最大剪應(yīng)力稍大于邊坡中部，但邊坡最大水平位移發(fā)生在抗滑樁頂部，達(dá)到0.14 m，表明175 m 高水位工況下邊坡潛在破壞面將發(fā)生在邊坡中部。其主要原因是高水位時庫水會滲入大部分坡體，從而對坡體產(chǎn)生浮托作用，降低坡體的抗滑能力[6]。145 m 低水位、175 m 降至145 m 水位、162 m 降至145 m 水位工況，最大剪應(yīng)力主要分布在邊坡上部；但邊坡水平位移主要集中在邊坡上部和中部抗滑樁頂部位置，最大水平位移為0.07 m 左右，表明145 m 低水位工況和高水位降至低水位工況時邊坡潛在破壞面將發(fā)生在邊坡上部和中部。其主要原因是庫水位降低削弱了水對坡體的浮托作用。綜合來看，175 m 高水位工況下邊坡最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖2 不同工況下邊坡最大剪應(yīng)變云圖

圖3 不同工況下邊坡水平位移云圖

3.2 不同水位工況下抗滑樁變形內(nèi)力分析

抗滑樁受力及形變情況是分析邊坡治理中抗滑樁性能的基礎(chǔ)，是評價抗滑樁加固效果的關(guān)鍵。不同水位工況下抗滑樁變形（水平位移）及內(nèi)力（軸力、剪力、彎矩）隨樁長的分布規(guī)律如圖4所示?？够瑯缎∮?4 m 樁長的部分幾乎無變形，即水平位移為零；而當(dāng)抗滑樁樁長超過14 m 時，其水平位移隨樁長幾乎呈線性增加，且增加速率從大到小分別為：175 m 水位工況（工況1）、175 m 降至145 m 水位工況（工況3）、162 m 降至145 m 水位工況（工況4）、145 m 水位工況（工況2），其最大水平位移分別為14.2、7.8、7.1 和5.9 mm。其主要原因是抗滑樁樁長超過14 m 部分位于潛在滑體內(nèi)，坡體變形等將通過推力傳遞給抗滑樁，從而導(dǎo)致坡體變形程度越高，抗滑樁受力變形也越高。

圖4 不同工況下抗滑樁受力變形分布曲線（從左到右依次為水平位移、軸力、剪力和彎矩）

4 種水位工況下，抗滑樁軸力和剪力隨樁長的分布規(guī)律總體上一致，但175 m 高水位工況與其他3種工況有一定的差異，如175 m 高水位工況下抗滑樁軸力在約10 m 樁長處會出現(xiàn)拉力，而其他3 種工況均為壓力。此外，175 m 水位工況下抗滑樁的最大剪力最大，約為11 040 kN，出現(xiàn)在約10 m 樁長處。4 種工況下抗滑樁彎矩分布形式也基本一致，但175 m 高水位工況下抗滑樁彎矩明顯大于其他3種工況，最大彎矩從大到小為：175 m水位工況、175 m降至145 m 水位工況、162 m 降至145 m 水位工況、145 m 水位工況，最大彎矩為55 920 kN·m。綜合考慮抗滑樁的水平位移及內(nèi)力大小，可以看出抗滑樁在175 m 高水位工況時受載最大，表明此工況下邊坡的穩(wěn)定性最差，與3.1節(jié)中結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文根據(jù)長江某庫岸邊坡治理工程，針對其采用的“抗滑樁+土層錨桿+護腳墻”邊坡綜合加固方案，采用數(shù)值模擬研究了不同水位工況下加固后邊坡的穩(wěn)定性，分析了抗滑樁的受力變形特征，得出以下主要結(jié)論。

（1）基于GTS NX 有限元計算軟件，建立了含“抗滑樁+土層錨桿+護腳墻”加固措施的邊坡穩(wěn)定性三維計算模型。

（2）175 m 高水位工況時坡體受庫水浮托作用影響最大，邊坡水平位移最大達(dá)0.14 m、穩(wěn)定性最差，其潛在破壞面將發(fā)生在邊坡中部；145 m 低水位或高水位降至低水位工況時，浮托作用對坡體影響減小，邊坡最大剪應(yīng)變和水平位移均減小，且主要集中在上部和中部，其潛在破壞面將發(fā)生在邊坡上部和中部。

（3）抗滑樁受邊坡變形影響，超過14 m 樁長部分的水平位移隨樁長幾乎呈線性增加，且175 m高水位工況增長速率最大，抗滑樁最大水平位移為14.2 mm；抗滑樁軸力、剪力和彎矩在不同水位工況下隨樁長的分布規(guī)律總體上一致，但175 m高水位工況抗滑樁剪力和彎矩最大，達(dá)11 040 kN 和55 920 kN·m，且10 m 樁長處會出現(xiàn)拉力?？够瑯妒芰白冃翁卣髡f明抗滑樁在175 m高水位工況時受載最大。