抗滑樁加固土坡穩定性分析

蔣永軍

(大同市交通局公路管理處，山西大同 037000)

0 引言

滑坡是工程中最為常見的病害之一，引起滑坡的因素較多，而且滑坡一旦發生，必將嚴重地影響交通安全以及人民的生命財產安全。在滑坡病害的防治研究中，研究人員提出了多種工程措施，其中抗滑樁占據著重要的地位，在滑坡治理中獲得了廣泛的應用，從最早應用的木樁，到后來的鋼樁以及目前應用最為廣泛的鋼筋混凝土樁等等。不同于一般的樁基礎，抗滑樁主要承受水平荷載，這與梁的受力特點較為相似，然而抗滑樁是埋藏在土中的，由于滑動面以及土體抗力的作用，使其成為了一種有別于簡單梁的超靜定結構［1-3］。

國內外的眾多學者通過理論分析，數值模擬以及現場監測等手段針對滑坡問題以及抗滑樁措施進行了大量的研究，其中強度折減法是最為有效的數值分析方法之一。強度折減法是由Zienkiewicz等提出的［4］，其核心是抗剪強度折減系數，可以理解為在外荷載不變的條件下，土體的最大抗剪強度與所受到的剪應力之比，在極限情況下，土體受到的實際剪應力與按照強度指標折減后確定的實際抗剪強度相等。

折減后的抗剪強度指標可由式(1)表示:

其中，c為土體的粘聚力;φ為土體的摩擦角;cm，φm均為折減后的值;Fr為折減系數。

利用強度折減法進行數值計算時，判斷邊坡是否失穩的依據主要包括數值計算的收斂與否、特征部的位移拐點、是否形成連續貫通區［5］。

本文在前人研究的基礎上，結合實際工程，利用有限元方法以及強度折減法論證了抗滑樁的作用，并分析了樁距對于土坡穩定性的影響。

1 數值模型的建立

1．1 幾何尺寸

某邊坡工程為防止滑坡擬采用抗滑樁進行處理，坡高為10 m，邊坡坡度為1∶1．5，抗滑樁的樁徑為0．8 m，樁長 15．5 m，樁間距為4倍樁徑3．2 m，樁的位置距離坡腳10．5 m，底端距離土基底部2．0 m。為了提高計算效率，采用對稱的方法，分析一根抗滑樁一側一般樁徑土體的受力特性，本文建立的數值模型見圖1。

1．2 參數選取

土體選用Mohr-Coulomb準則，樁體選用線彈性本構模型，具體的參數取值如表1所示。

需要注意的是，為了保證土坡自身的初始穩定性，在最開始設置材料時，取強度折減系數為0．5，因此土體的粘聚力和內摩擦角分別為50 kPa和54．48°。

表1 數值模型主要參數

1．3 接觸設置

樁土之間的接觸如何設置對于計算結果有著很大的影響，本模型參考前人的經驗，從初始分析步開始設置接觸特性，采用主從接觸面算法，主面為樁體表面，土體設置為從面。法相接觸為硬接觸，選用罰函數的摩擦特性，摩擦系數設置為0．5。

1．4 邊界條件

充分考慮實際工況，數值計算模型確定的邊界條件如下:

1)限制模型左右側面的X向位移。

2)限制模型前后面的Y向位移。

3)地基底部為固定端約束。

4)約束樁的對稱面Y向位移。

1．5 加載過程

首先進行初始地應力的平衡，并導出單元中心點的地應力，將導出的文件導入下一個計算階段，作為強度折減分析時的初始應力狀態。

2 數值計算結果

2．1 初始地應力平衡階段的受力特性

初始地應力平衡時巖土工程數值分析的最初始也是最重要的階段。如圖2所示分別為計算得到加固前后的初始地應力平衡后土坡的沉降云圖。

如圖2所示，在初始地應力平衡過后，抗滑樁的存在使得路基整體的沉降有所減小，但是效果并不明顯。

如圖3所示為初始地應力平衡過后，加固前后路基中的豎向應力云圖。

抗滑樁的存在雖然并沒有對路基中的最大豎向應力值產生顯著的影響，但是改變了路基中應力的分布狀態，加入抗滑樁后，路基中的豎向應力分布更加均勻，最大值出現在樁底與土體接觸的部位。

2．2 安全系數與滑動面

安全系數是邊坡設計施工過程中最重要的參數，而抗滑樁的存在究竟對安全系數的影響有多大，以及不同的樁距條件下安全系數是如何變化的等問題還需進一步討論。本文利用程序分別記錄計算過程中未加固的邊坡、樁距為4倍以及8倍樁距的邊坡衰減系數Fr以及坡腳處的水平位移，結果如圖4所示。

以曲線的拐點處的Fr作為安全系數。由圖可見，當邊坡加固前的安全系數大約為2．01，采用4倍樁距作為樁距的抗滑樁加固時，安全系數約為2．51，而增大樁距到8倍樁距時，安全系數降低到2．37，說明抗滑樁的加固效果比較明顯，但是其合理樁距的確定還需要進一步研究。

在實際工程中，除了安全系數之外滑動面的位置也是重點的研究對象之一，然而經過強度折法計算得到的總位移云圖，往往難以確定滑動面的位置，因此考慮到滑坡的趨勢可以在增量位移中反映，因此，本文繪制了計算終值時最后兩個分析步之間的位移增量云圖。如圖5所示，加固前的邊坡已經形成連續貫通的滑動帶，而抗滑樁的存在使得樁前后的位移增量云圖的顏色差異較大，說明有效地阻止了其上部土體的下滑，而由于抗滑樁的存在，則避免了滑動帶的貫通。

3 結語

本文基于實際工程，結合數值計算法以及強度折減法，分析了抗滑樁對于邊坡的加固作用，結果表明:1)在初始地應力平衡階段，抗滑樁對于沉降的影響不大，而對于豎向應力的分布則有較大影響，可以使豎向應力的分布更加均勻，而最大的豎向應力值出現在樁底與地基土接觸的部位。2)抗滑樁的存在可以顯著提高邊坡的滑動安全系數，但是當樁距由4倍樁距增加到8倍時，安全系數又有了明顯的降低，說明了如何合理布置樁距還需要進一步探討。3)抗滑樁的存在有限地抑制了樁后土體的變形，抑制了貫通的滑動帶的形成。

［1］黃海明，許成承，劉小文．邊坡穩定性有限元強度折減法分析［J］．山西建筑，2009，35(16):8-10．

［2］李 萍，付 強，陳小念．基于有限元強度折減法分析土坡穩定［J］．甘肅科學學報，2007，19(4):63-66．

［3］韋立德，楊春和，高長勝．基于三維強度折減有限元的抗滑樁優化探討［J］．巖土工程學報，2005，27(11):1350-1352．

［4］周德培，肖世國，夏 雄．邊坡工程中抗滑樁合理樁間距的探討［J］．巖土工程學報，2004(1):32，135．

［5］劉 杰，姜俊濤，姜曉峰，等．邊坡穩定性的有限元強度折減分析法［J］．低溫建筑技術，2010，149(11):79-81．

［6］萬少石，年廷凱，蔣景彩．邊坡穩定強度折減有限元分析中的若干問題討論［J］．巖土力學，2010，31(7):2284-2288．