高邊坡不同工況穩定性分析與抗滑樁設計參數優化

■孫廷齡

（福建省交通規劃設計院有限公司道橋三院，福州 350004）

1 引言

隨著國內工程建設的不斷推進，社會經濟的不斷發展， 帶來了數量龐大的亟待解決的邊坡工程問題。 若工程處置不當，可能造成滑坡、崩塌、泥石流等地質災害， 導致巨大的人員傷亡和財產損失。抗滑樁是一種經濟有效的邊坡治理技術，大量的工程研究和工程實踐表明， 抗滑樁加固邊坡具有不易惡化邊坡條件、 施工簡便、 承載力大等優點，因此在過去幾十年中，被廣泛用于處理滑坡、高邊坡及邊坡出現不穩定跡象時的強加固設計中。國內諸多學者對抗滑樁加固邊坡、滑坡穩定性進行了相關實踐研究[1-3]，研究表明抗滑樁主要通過增加滑坡抗力來加固邊坡， 所需的滑坡抗力應能使邊坡達到目標安全系數。

實際上，抗滑樁的設計是一個多學科的問題，涉及巖土工程、 結構工程和經濟學等多方面的知識， 抗滑樁的設計應作為一個多目標優化問題來進行探討，應同時考慮邊坡的穩定性、樁的承載力和經濟性等方面的要求。 因此，本文采用極限平衡法和有限元強度折減法對抗滑樁加固高邊坡穩定性進行對比分析，分別計算天然、暴雨2 種不同工況下的穩定性， 同時進行抗滑樁的樁位、樁長參數的優化，以期為今后類似工程設計提供參考和借鑒。

2 高邊坡穩定性數值分析

2.1 工程背景

以某高速公路工程高邊坡為工程背景，選擇樁號K187+350～K187+480 段進行分析。 該段落屬于典型的低山丘陵地貌，坡面植被發育完整，滑坡發生在邊坡較為平緩的位置，滑坡上部和下部具有較為陡峭的原始地形。滑坡上部邊坡自然坡度為22°～25°，下部邊坡自然坡度為38°～42°，滑坡位置的自然坡度為8°～12°， 該段落設計邊坡坡率為1∶（1.0～1.25）。 滑坡里程樁號為K187+350～K187+460，地面標高在330～365 m， 長度約為110 m， 寬度約為60 m。 在原坡面進行防護施工過程中，由于連續降雨天氣， 早于2011 年5 月7 日已出現滑坡現象，滑坡發生以后后緣出現了0.5～5 m 的下移， 并出現解體現象。 同時，坡底上方有多個墳墓，其中還包含一座將軍墳（樁號為K187+447），距路基中線約70 m，且在滑坡過程將軍亭和將軍墳都出現了破壞。另外，距中線約72 m 處有1 個電線桿，在進行地質鉆探過程中出現裂縫。該裂縫為擠壓破碎帶，地層產狀總體在69°＜50°～60 產。 為了保證滑坡治理具有較高效率，擬采用在邊坡上方進行消方減載，中下方使用抗滑樁支擋，并補充邊坡截排水措施的處置方案。

2.2 極限平衡法分析

根據公路工程的相關規范與相關設計手冊[4-5]的要求，本文選取天然狀態、暴雨狀態2 種工況進行穩定性分析，建立極限平衡法邊坡模型如圖1 所示。 各工況物理力學指標參數如表1 所示，計算結果如表2 所示。 本文選用M-P 法的計算結果，可知邊坡在2 種不同工況下，即天然狀態、暴雨作用下的邊坡安全系數分別為1.250、0.950，相應的邊坡狀態僅在天然狀態下為穩定狀態，暴雨狀態下為不穩定狀態。

圖1 極限平衡法計算模型

表1 2 種工況物理力學指標參數

表2 種工況邊坡穩定系數Slide 軟件計算結果

2.3 有限元強度折減法分析

利用Phase 軟件建立削坡后的五級邊坡三維模型，邊坡模型如圖2 所示。 對模型劃分網格時，選擇六節點三角形單元進行劃分， 總共劃分出9874 個單元。 模型左右設置x 向位移約束，前后設置z 向位移約束，底面設置3 個方向的全約束。

圖2 有限元網格劃分

（1）天然工況

模型右側水頭高度為76.0 m， 得出邊坡塑性區云圖3（a），可以看出邊坡的最大塑性變形區位于邊坡中部，并未完全貫通。 由圖4（a）可知，最大總位移為2.738 cm。經計算，天然工況時邊坡的安全系數為1.25，邊坡處于穩定的狀態。

（2）暴雨工況

模型右側水頭高度為78.0 m， 得出邊坡塑性區云圖3（b），可以看出塑性區已貫通，邊坡極容易發生破壞。 由圖4（b）可知，邊坡最大位移為11.80 cm。 經計算，暴雨工況時邊坡的安全系數為1.03，邊坡處于欠穩定的狀態。

圖3 塑性區云圖

圖4 邊坡總位移云圖

2.4 計算結果對比分析

將由Phase 軟件計算所得有限元結果與由Slide 軟件計算所得極限平衡法結果進行對比分析，如表3 所示。從表3 可以清楚的看出，2 種計算方法所得安全系數結果較為接近， 說明Phase 模擬結果是合理的。 經過2 種方法的綜合計算，判定暴雨工況下的邊坡屬于不穩定狀態，容易發生破壞，亟待實施加固治理。

表3 2 種工況邊坡穩定性分析結果

3 抗滑樁加固邊坡優化設計

3.1 樁位優化

選取飽水狀態的巖土體參數和地下水條件，樁和土采用摩擦接觸，所用相關參數見表1。初步取樁的長度為24.0 m， 樁位選取的4 個位置分別為：坡腳、二級邊坡上部、四級邊坡上部、坡頂，Phase 的模擬計算結果如圖5 所示。

對比圖5（a）～（d）可知，當樁位于坡腳和坡頂時，樁沒有起到加固的作用；但當樁位于二級邊坡上部、四級邊坡上部時，可看出邊坡的塑性變形區被阻斷，起到了較好的加固作用，其中當樁位于四級邊坡上部時，抗滑作用最明顯。 與此同時，從坡腳至坡頂4 個樁位加固邊坡安全系數分別為1.215、1.260、1.310、1.112， 在安全性上同樣說明當樁位于四級邊坡上部時，抗滑作用最明顯。 從Fs的角度確定最佳的樁位，抗滑樁布置于四級邊坡上部時安全系數最大，為1.310。

圖5 不同樁位抗滑樁加固邊坡塑性區云圖

3.2 樁長優化

樁長取值范圍為20～26 m， 長度增量梯度為1 m， 以邊坡的位移和穩定系數為評判標準確定最佳樁長。由Phase 的模擬計算結果（圖6）可知，邊坡的最大水平和豎直位移均隨著樁長的逐漸增加而減小， 其中對于水平位移的治理效果更為顯著，原因在于抗滑樁治理主要作用于于水平受荷，對于豎向僅為樁側摩阻力支護。 從位移減小的增量上看，相較于20～23 m 范圍內水平最大位移隨樁長增加而急劇減少的情況， 當樁長超過23 m 后水平最大位移減小幅度尤其緩慢，前后對比明顯，因此初步可判斷最優樁長為23 m。此外，由圖6 亦可以看出，隨著樁長增加， 邊坡整體安全系數出現飛速增長，但當樁長超過25 m 后，安全系數突然變化，即線段的斜率變小。 由此可知，增加抗滑樁長可以顯著提高邊坡整體穩定性，但是當樁長超過25 m 后，穩定性增加效果不顯著。 綜上所述，并不是樁長越長，穩定性越好，判斷最佳樁長為25 m，同時綜合考慮邊坡加固效果及建設施工成本，建議最優樁長取24 m。

圖6 不同樁長下抗滑樁加固邊坡位移及安全系數比較

4 結論

本文以某高邊坡抗滑樁治理項目為案例背景，采用極限平衡法和有限元強度折減法，對邊坡穩定性進行了計算分析，主要研究結論如下：

（1）在2 種不同的常見工況下，即天然狀態、暴雨作用下， 利用極限平衡方法計算邊坡的穩定安全系數分別為1.253、0.952，由此安全系數可判別該高邊坡穩定狀態為穩定及不穩定。 利用有限元強度折減法所得結論與極限平衡法結果符合良好， 但安全系數在各工況下均比極限平衡所得結果大， 原因在于有限元計算原理考慮了流固耦合作用，使得結果更為準確；由于該地常受到強降雨的影響，亟需加固治理，選擇抗滑樁進行加固治理效果良好。

（2）對抗滑樁最為重要的2 個影響因素（樁位及樁長）進行優化設計，發現當抗滑樁加固于邊坡近中部，即本案例邊坡四級邊坡上部時，加固作用最為顯著；樁越長，邊坡位移越小，邊坡穩定性越好，但當樁長大于25 m 時，繼續增加樁長對于邊坡位移和穩定性提高不大；綜合考慮邊坡加固效果及建設施工成本，建議最優樁長取24 m。