基于強(qiáng)度折減法的抗滑樁樁位優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李 國(guó)

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

抗滑樁是一種常見的邊坡加固處置措施。抗滑樁是利用樁埋入穩(wěn)固的土層內(nèi)，使其承受滑體的部分下滑力，并將其傳遞到下部穩(wěn)固土體中，以起到穩(wěn)固滑體的作用。不同的樁體埋設(shè)位置會(huì)引起樁-土-邊坡體系不同的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，從而影響邊坡的加固效果。對(duì)于抗滑樁的最優(yōu)埋設(shè)位置，雖然有學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，但仍存在較大分歧。例如雷文杰，鄭穎人[1]等研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁位于斜坡中部時(shí)斜坡的安全系數(shù)最高，靠近兩端時(shí)斜坡的安全系數(shù)變化規(guī)律相同；戴自航[2]等認(rèn)為抗滑樁埋設(shè)于邊坡下部時(shí)加固效果最好。楊光華[3]等基于變模量彈塑性模型強(qiáng)度折減法研究發(fā)現(xiàn)抗滑樁設(shè)置于滑坡體中位移最大的地方可以得到最大的安全系數(shù)等。

目前，在工程設(shè)計(jì)中往往將抗滑樁布設(shè)于滑坡推力較小且滑體較薄處[4]，主要是依據(jù)剩余下滑力曲線，在剩余下滑力減小，即阻滑段布樁[5-6]。但實(shí)際工程中滑坡體體積較大，阻滑段較長(zhǎng)，抗滑樁布設(shè)位置存在一定隨意性。本文結(jié)合某高速公路滑坡處治工程，通過有限元計(jì)算分析不同加固位置抗滑樁對(duì)滑體的加固效果，從而選擇出合理的加固位置，為本工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本文以某擬建高速公路滑坡處治工程為例。如圖1所示，滑坡周界清楚，橫向平均寬約220 m，軸向長(zhǎng)約340 m，滑坡體厚15～50 m，總體積約208×104m3，滑動(dòng)方向約310°，屬中型深層滑坡。滑體主要由可塑-硬塑狀粉質(zhì)黏土（含角礫及碎石）構(gòu)成。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示該滑坡為一處古滑坡，目前處于滑帶固結(jié)階段，未見明顯開裂變形的跡象。但若經(jīng)開挖擾動(dòng)或遇雨及強(qiáng)震時(shí)，有再次復(fù)活的可能。高速公路擬以橋梁方式自滑坡前緣通過，橋梁墩臺(tái)工程開挖形成臨空面后，遇雨季降水量充分，滑坡體易沿坡面向墩臺(tái)受力增大或產(chǎn)生滑移。因此，該滑坡的治理勢(shì)在必行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了以單排抗滑樁為主的治理措施。

圖1 滑坡全貌圖

2 抗滑樁加固邊坡的數(shù)值模型

為更好地模擬實(shí)際情況，邊坡模型采用地勘提供的地質(zhì)坡面圖，尺寸為150 m（長(zhǎng)）×70 m（高），如圖2所示。抗滑樁采用C25混凝土，樁長(zhǎng)為24 m，斷面為2.4 m×3.6 m的矩形截面，樁間距為5 m。本文采用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，其中邊坡土體使用實(shí)體單元模擬，土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫侖模型，抗滑樁使用一維梁?jiǎn)卧M，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)地勘資料，抗滑樁及各土層物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)參數(shù)見表1。結(jié)合實(shí)際情況施加如下邊界條件：邊面無任何約束；兩側(cè)邊界添加水平向約束；底部邊界添加水平和豎向約束。具體邊坡模型如圖3所示。

圖2 滑坡剖面圖

圖3 有限元模型

表1 土層參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過改變抗滑樁在坡體中的位置，研究不同樁位對(duì)邊坡加固效果的影響。分別選取距離橋墩水平距離為45 m、25 m和5 m的位置布設(shè)抗滑樁。即對(duì)將樁布設(shè)于邊坡阻滑段的上部、中部、下部進(jìn)行對(duì)比研究。本文采用強(qiáng)度折減法對(duì)滑坡體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，取滑坡體達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)Fs為邊坡的最小安全系數(shù)，如式（1）、式（2）：

通過計(jì)算所得的塑性區(qū)開展情況可以判別土體極限狀態(tài)下的貫通滑面[7]。計(jì)算得到不同樁位下邊坡土體的塑性區(qū)開展情況如圖4～圖7。

圖4 天然狀態(tài)下滑面形態(tài)

圖5 抗滑樁布設(shè)樁位1時(shí)滑面形態(tài)

圖6 抗滑樁布設(shè)樁位2時(shí)滑面形態(tài)

圖7 抗滑樁布設(shè)樁位3時(shí)滑面形態(tài)

3.1 不同樁位對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響

運(yùn)用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到的邊坡在天然狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.30，與地勘報(bào)告提供的工況1下邊坡的安全系數(shù)1.25較為接近，誤差為4%，說明建立的數(shù)值模型合理可行。根據(jù)抗滑樁的設(shè)置位置，分別計(jì)算不同樁位埋設(shè)情況下邊坡的安全系數(shù)，可以看出在阻滑段布設(shè)抗滑樁對(duì)邊坡均有加固效果，同時(shí)由于樁位1布設(shè)在邊坡上部，與滑體接觸面積最大，承擔(dān)較大的剩余下滑力所以加固效果最為明顯，隨著樁位布設(shè)位置的逐漸靠下，邊坡的安全系數(shù)逐漸減小。

表2 不同樁位下邊坡的安全系數(shù)

3.2 不同樁位對(duì)滑動(dòng)面位置和形態(tài)的影響

樁體在坡面不同的埋設(shè)位置將引起邊坡土體不同的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，分析模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著樁埋設(shè)位置的不同，滑動(dòng)面的位置和形態(tài)也隨之變化。由圖4～圖7可知，天然狀態(tài)下，滑體內(nèi)部有較為明顯的塑性貫通區(qū)，表明滑坡存在滑移風(fēng)險(xiǎn)。隨著抗滑樁的布設(shè)，由于樁后土體出現(xiàn)不同程度的上拱，塑性區(qū)分布也隨之出現(xiàn)上移。當(dāng)樁體布設(shè)在邊坡上部即位置1時(shí)，由于樁體設(shè)置過于靠上，雖然能較好限制滑面的延伸貫通，但是樁前土體未得到有效加固，樁前土體內(nèi)部出現(xiàn)了新的塑性貫通區(qū)，從而引起土體沿樁前次生滑面的滑落。隨著樁位的下移，樁前土體內(nèi)部的塑性區(qū)消失，抗滑樁布設(shè)于樁位2時(shí)，滑坡體內(nèi)部的塑性區(qū)開展被限制在滑坡頂部位置，滑體并沒有沿潛在滑面開展延伸，滑坡得到了較好的限制。當(dāng)樁位布設(shè)在邊坡趾部即樁位3時(shí)，由于樁體與滑體接觸太小，抗滑樁無法起到有效的加固作用，雖然限制了滑面向樁前延伸，但是在樁后形成了明顯的塑性貫通面，滑體沿樁的頂部滑出，出現(xiàn)越頂破壞。

綜上分析，可以看出在阻滑段布設(shè)抗滑樁能有效加固滑坡，但是不同樁位下加固效果不盡相同。在抗滑樁布設(shè)于樁位1時(shí)，雖然能提供最大的安全系數(shù)，但是未能起到有效加固樁前土體的作用，邊坡土體存在樁前滑落的危險(xiǎn)。布設(shè)于樁位3時(shí)，雖然能縮短樁長(zhǎng)，降低工程量，但是滑體可能沿樁頂滑出，樁后土體有滑落的危險(xiǎn)。可見在安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，將抗滑樁布設(shè)在阻滑段中部即樁位2的位置能達(dá)到最好的加固效果，既能提供足夠的抗滑力又能很好地限制滑面延伸開展。

4 結(jié)論

本文通過有限元計(jì)算分析比較了抗滑樁布設(shè)于不同樁位時(shí)滑坡安全系數(shù)及滑動(dòng)面分布形態(tài)的變化，得到了以下結(jié)論：

a）在阻滑段設(shè)置抗滑樁能有效地加固滑坡體，且樁的埋設(shè)位置越靠上，承受的下滑力越大，加固后滑坡的安全系數(shù)越高。

b）抗滑樁的布設(shè)位置會(huì)影響滑坡體滑面的位置和分布。樁位埋設(shè)靠近坡頂時(shí)可能會(huì)在樁前產(chǎn)生次生滑面，引起樁前土體滑動(dòng)；而樁位埋設(shè)太靠坡趾部時(shí)，又會(huì)使得樁后土體發(fā)生越頂滑動(dòng)，將抗滑樁埋設(shè)在阻滑段中部可以達(dá)到較好的加固效果。