重慶機場專用快速路某匝道抗滑樁工程效果的有限元后評價

摘要：文章對重慶機場專用快速路某匝道K0+020段路塹邊坡抗滑樁采用MIDAS GTS有限元軟件進行分析，將滑坡與抗滑結構相互作用作為整體，研究了邊坡水平位移、塑性區、樁體水平位移、彎矩與剪力，并比較了不同位置抗滑樁的加固效果與樁身內力。結果表明，現有抗滑樁具有良好的穩定邊坡作用。

關鍵詞：抗滑樁；有限元分析；工程效果后評價；滑坡特征；道路工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U412 文章編號：1009-2374（2017）06-0001-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.001

1 概述

抗滑樁治理滑坡在國內最早應用于1954年寶成線史家壩4號隧道，其出口左側由于灰巖邊坡導致的順層坍塌，采用鋼筋混凝土榫治理，但是此時僅考慮了抗剪作用。1965年，川黔線采用了沉井及打入式管樁，錨固深度按材料力學方法確定。之后抗滑樁在鐵路、公路、廠礦等土木工程滑坡治理中得到了廣泛應用，鐵二院等單位深入研究了抗滑樁的設計及計算理論，其成果已被選入《鐵路路基支擋結構物設計規則》（TBJ 25-90）。

現有的抗滑樁設計方法主要有壓力法、位移法與有限元法。壓力法以彈性地基梁為力學模型，計算抗滑樁的內力及位移。位移法假設土體的側向位移完全施加于樁上，采用地基反力法分析樁-土相互作用，計算抗滑樁的內力及位移。相較于上述兩種方法，有限元法能夠靠考慮到樁-土的協調作用，并可以模擬復雜滑坡，因此有限元法更符合實際工程情況。本文針對重慶機場專用快速路某匝道K0+000～K0+048段右側第二級邊坡設立的抗滑樁，結合現場調研，考慮樁-土相互作用，對邊坡整體穩定分析、抗滑樁樁體位移、樁身彎矩、剪力進行分析，對其治理效果做出評價。

2 滑坡特征及治理工程概況

2.1 滑坡地區地貌及地質條件

該匝道位于一回填區域，總體坡角為3°～5°，上覆土層主要為雜填土，局部段分布有素填土、卵石土，厚度為0.7～6.2m，下伏基巖主要為砂質泥巖。對土質邊坡部分，由于本段匝道右側具備放坡條件，對其按照1∶1.75的坡率進行放坡處理；對于巖質邊坡部分，其走向264°～300°，傾向174°～210°，邊坡基巖以砂質泥巖為主，裂隙與邊坡的組合關系見圖1。本邊坡為切向坡，J2裂隙為外傾結構面，若直立切坡，則J2裂隙同邊坡傾向一致且臨空（傾角84°），本邊坡可能發生裂隙切割體沿外傾的J2裂隙滑塌。邊坡巖體類型為Ⅲ類，巖體等效內摩擦角55°，破裂角60.5°。

2.2 工程治理措施

K0+000～K0+048段右側第二級邊坡，長48m，距離道路中心線24.59～34.87m設置9根錨固樁，樁長9.0～10.0m，截面尺寸為1.25m×1.50m（樁長邊方向垂直線路），樁間距6m，樁身采用C35砼澆筑。

3 計算模型建立

選取K0+020段的橫斷面的抗滑樁為計算對象。設計樁長為10m。采用平面應變按1∶1的實體比例建立平面幾何圖形；坡角、滑面位置、抗滑樁依據滑坡工程地質勘察和設計資料得到，主要針對最危險的中層滑動面來評價加固效果。一級邊坡坡度為1∶1，二、三級邊坡均為1∶1.75。

3.1 模型假設

本文在研究過程中采用如下假定：（1）平面應變假定。假定巖土體為水平方向無限伸展，各層之間相互獨立；（2）巖土土體均質，為各向同性體，土體直接覆蓋于基巖之上；（3）巖土體為非線性材料，滿足Mohr-Coulomb準則；（4）抗滑樁為均質線彈性材料；（5）下滑力由抗滑樁及樁前土體抗力承擔。

3.2 材料參數與模型建立

材料參數詳見表1，邊坡截面見圖2。

對圖2橫斷面建模，采用實體單元模擬巖土體，梁單元模擬抗滑樁。Midas GTS建立模型如圖3所示：

4 計算結果分析

4.1 邊坡穩定性分析

采用強度折減法對未支護邊坡進行分析，在僅考慮重力的條件下，采用強度折減法通過Midas GTS分析，其安全系數僅有1.236，邊坡塑性區與X方向位移如圖4和圖5所示：

從等效塑性應變圖中可以看到明顯的圓弧形滑動面，并且該滑動面已經與坡頂貫通。同時從塑性應變圖看到滑動面基本與巖土分界線重合，這與實際情況是相符的。在X方向位移云圖中，X方向位移最大集中于二級邊坡處，坐標范圍為382.769（X）～426.038（X）。

4.2 抗滑樁邊坡穩定性分析

根據K0+020橫斷面設計圖紙，在距離道路中線27.23m處設立單排抗滑樁，即抗滑樁位于一級邊坡中部位置，樁長10m，樁身截面為矩形（1.5m×2.5m）。采用強度折減法，利用Midas GTS計算，設立抗滑樁后該邊坡安全系數提升為1.403。邊坡塑性區與X方向位移如圖6和圖7所示：

從圖6看到設立抗滑樁后，整體滑動面相對于抗滑樁向后移動，滑動面滑出點上移至二級邊坡坡頂處附近，滑出點位置無明顯變化。圖7中塑性區從抗滑樁位置斷開，并且土體塑性區范圍相對于未布置抗滑樁時（圖4）縮小了。因此，設立了抗滑樁后該段邊坡穩定性得到了顯著加強，符合多級路塹邊坡安全系數大于1.3的設計要求。

4.3 抗滑樁樁體內力變形分析

樁體位移如圖8所示，可以看到樁頂位移最大為5.381mm。當X>4m時，樁體水平位移變化速率明顯變快；而X<4m時，樁體水平位移變化速率減慢。這是由于X=4m時恰好是巖層與土層分界線，樁體位于基巖下時，由于基巖的嵌固作用，導致樁體位移水平位移增速減緩。

圖9為樁身彎矩分布圖，圖中彎矩受拉側為正。彎矩最大處位于滑動面以下2m處左右為547.841kN·m，樁體兩端彎矩均為0。

圖10為樁身剪力分布圖，剪力最大處位于滑動面以下2m左右為-212.83kN，樁體頂端剪力為零，末端剪力為40kN。

根據樁身的受力與變形情況，通過結構計算軟件校核樁身配筋，其配筋量是滿足規范的。

4.4 抗滑樁位置調整

陳樂求等認為抗滑樁設置的位置不同對邊坡穩定有很大影響，隨著抗滑樁距坡腳距離的增加，邊坡安全系數呈現先增大后減小的趨勢。根據董必昌等的研究，在邊坡塑性應變最大處設置抗滑樁能夠有效改變邊坡塑性區分布，提高邊坡安全系數。在此基礎上，將原重慶機場專用快速路某匝道設置的抗滑樁位置進行調整，移至未設置抗滑樁邊坡塑性應變最大處。邊坡整體安全系數增大為1.541。邊坡水平位移與等效塑性應變云圖見圖11、圖12。

圖11中可以看到樁后塑性區范圍比抗滑樁位置調整前的塑性區明顯減小，并且塑性區已有了斷開趨勢，但是樁前土已經開始出現塑性變形。圖12中樁后土產生水平位移的土體相較于圖7中的范圍有了減小?？够瑯段恢谜{整前后的邊坡水平位移與等效塑性應變值對比見表2：

從表2中可以看到，抗滑樁位置移至等效塑性應變最大處后，邊坡安全系數變大，同時邊坡水平位移最大值也減小了，但是塑性應變最大值略有增加?？傮w來說，調整位置后的抗滑樁對增強了邊坡整體穩定，這與董必昌等的研究是一致的。

調整位置后的抗滑樁樁體內力及變形見圖13、圖14、圖15。對比未調整前的抗滑樁，樁體最大水平位移、最大彎矩與最大剪力均有上升，且最大彎矩與最大剪力位置均發生了變化，這是由于巖土分界面的位置相對于樁體向下移動了。

從上表可以看出，調整樁體后水平位移、彎矩與剪力是抗滑樁未調整前的兩倍，需要相應增加樁體本身的強度來平衡增大的外荷載。雖然邊坡的安全系數從1.403增加到了1.541，但是對樁體自身強度要求提高了，相對于增加的0.1的安全系數，隨之帶來的可能是施工難度的提高與造價的提升，因此原設計的抗滑樁位置從安全、施工及經濟考慮是合理的。

因此對于抗滑樁位置的選擇，不能單一地以邊坡安全系數為指標，應該綜合多方面因素考慮，在保證安全的同時兼顧施工可行性與經濟性，選擇最優方案。

5 結語

（1）本文通過有限元分析了重慶機場專用快速路某匝道K0+020段路塹邊坡的穩定性，同時對抗滑樁的加固效果進行評價，現有抗滑樁是具有良好加固與抗滑效果的；（2）將抗滑樁位置移動到塑性應變最大處后，雖然提高了邊坡安全系數，但是樁體本身將承受更大外力，給施工增加了一定難度并且經濟性也不高?？紤]到現有抗滑樁的安全系數已經滿足要求，因此抗滑樁并無上移必要。

參考文獻

[1] 李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 丁浪.邊坡穩定分析和抗滑樁優化設計[D].合肥工業大學，2010.

[3] 年廷凱，欒茂田，楊慶，等.基于強度折減彈塑性有限元法的抗滑樁加固邊坡穩定性分析[A].全國巖土力學數值分析與解析方法討論會論文集[C].2007.

[4] 陳樂求，楊恒山，林杭.抗滑樁加固邊坡穩定性及影響因素的有限元分析[J].中南大學學報（自然科學版）， 2011，42（2）.

[5] 董必昌，舒陶浪，安新強，等.邊坡抗滑樁優化設計[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2010，34（6）.

作者簡介：游泳（1987-），男，四川簡陽人，重慶市交通規劃勘測設計院工程師，研究方向：巖土。

（責任編輯：黃銀芳）