抗滑樁加固邊坡抗震穩(wěn)定性分析

武冬停

（廣州市北二環(huán)交通科技有限公司，廣東 廣州 510450）

山區(qū)高速公路經(jīng)常遇到邊坡和滑坡問題。目前，關(guān)于邊坡抗滑樁抗震性能的研究較少，而《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）中路基抗震穩(wěn)定性的評價主要采用傳統(tǒng)的靜力法，動力方面的抗震特性研究相對較少。本文將依托某高速公路路塹邊坡工程，結(jié)合地勘資料，研究新建邊坡的穩(wěn)定性和抗震穩(wěn)定性。

一、存在問題

抗滑樁支護的邊坡抗震研究主要存在兩方面問題。一方面是在設(shè)計抗滑樁時，往往以單樁設(shè)計為基礎(chǔ)，在單樁設(shè)計滿足要求后，再組合計算排樁。這種設(shè)計方法不能充分考慮排樁之間的相互作用，設(shè)計相對保守，導(dǎo)致抗滑樁在抗震設(shè)計時過于冗余。

另外一方面是邊坡整體抗震穩(wěn)定性的設(shè)計主要以靜力法為主，其本身就是一種假設(shè)的模擬，不能完全反映邊坡真實的受力情況，不能充分反映邊坡在非線性條件下的變形積累，動力特性研究相對較弱。因此，本文擬采用MIDAS/GTS有限元軟件在抗滑樁邊坡施加地震波，以得到抗滑樁和邊坡的變形、穩(wěn)定性等規(guī)律，為抗滑樁支護的邊坡提供參考依據(jù)。

二、工程概況

該項目位于某高速公路穿越山區(qū)段，雙向四車道，設(shè)計行車速度10 0k m/h，路基寬度2 6m。邊坡位于樁號k9+120.234～k9+250.335段，長度約130m。該處路線走向由南向北，原始地貌高低起伏較大，相對高差約120m，原始地貌植被發(fā)育良好，未見不良水文地質(zhì)。現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)其原始邊坡陡峭，且有崩塌跡象，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，急需采取加固措施。擬建邊坡在路基設(shè)計標高范圍內(nèi)削坡減載并放坡，坡率自上而下為1∶1.75、1∶1.75、1∶1.5、1∶1.5，其中每級邊坡坡高為8m，級間設(shè)置2m寬平臺。同時結(jié)合地區(qū)有關(guān)項目經(jīng)驗，采用抗滑樁支護增加邊坡整體穩(wěn)定性，減小邊坡變形。抗滑樁截面尺寸為1.5m×2m，長15m，同時坡面采用菱形骨架護坡，骨架內(nèi)采用冷暖兩季草籽植草防護，如圖1所示。

圖1 k9+160.225橫斷面（m）

k9+160.225橫斷面如圖1所示，該截面為此處最危險的截面，需加強邊坡穩(wěn)定性設(shè)計。根據(jù)地勘報告，此次邊坡的巖層結(jié)構(gòu)主要為4層，分別為雜填土、風(fēng)化土、泥巖和玄武巖，其厚度分別約為5.5m、8m、10m和14m。

三、數(shù)值模擬研究

（一）模型建立

MIDAS/GTS軟件在工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認可。此次數(shù)值模擬使用該軟件分析邊坡的穩(wěn)定性。

結(jié)合地勘報告內(nèi)容，MIDAS建模過程中的模型尺寸為62m×160m×30m，采用3D建模方式，巖土體模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，抗滑樁則采用1D單元的彈性本構(gòu)模型，截面尺寸為1.5m×2m。構(gòu)建的模型如圖2所示，網(wǎng)格的精度采用尺寸控制，雜填土的網(wǎng)格密度為1m，風(fēng)化土的網(wǎng)格密度為2m，泥巖和玄武巖的網(wǎng)格密度為4m，保證網(wǎng)格在計算過程中的速度和精度，模型各參數(shù)如表1所示。

圖2 MIDAS模型

表1 模型參數(shù)表

在靜力條件和動力條件下，邊坡穩(wěn)定性計算采用強度折減法，分析邊坡地震狀態(tài)下的穩(wěn)定性。強度折減法的基本原理是假定土體的抗剪強度參數(shù)c，φ值在計算過程中不斷折減，直至土體達到臨界破壞，此時的折減系數(shù)就為邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)。動力分析—地震波的模擬是計算整個邊坡抗震穩(wěn)定性的核心，地震荷載的敏感因素主要包括峰值加速度、周期及作用時長，此次地震波的模擬采用《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）中的EL-Centro地震波為邊坡模型施加荷載，其峰值加速度為0.2142g，地震作用時長為53.46s，其地震時程如圖3所示。

圖3 EL-Centro地震波時程圖

模型建立后，首先模擬原始地面重力場，在此基礎(chǔ)上再采用施工階段方法模擬邊坡施工步驟，最后施加動荷載（ELCentro地震波），計算分析邊坡的抗震穩(wěn)定性，具體步驟如下：

1.邊坡初始重力場平衡，位移清零；

2.邊坡開挖到設(shè)計坡率，計算開挖后邊坡的穩(wěn)定性（SRM）；

3.施加抗滑樁，計算邊坡的穩(wěn)定性（SRM）；

4.施加自由場，計算抗滑樁支護邊坡的特征值，獲得模型的固有周期；

5.施加地震荷載，計算地震荷載作用下邊坡的穩(wěn)定性（SRM）。

（二）計算結(jié)果分析

1.邊坡穩(wěn)定性分析

(1)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分析

分析邊坡穩(wěn)定性，邊坡開挖后的有效塑性區(qū)如圖4所示，主要出現(xiàn)在沿邊坡坡腳向上的土層交界面上，此時的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.31，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)達到規(guī)范值1.3的要求，但《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）中要求高速公路路基邊坡大于20m的，路基邊坡的抗震穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.15，因此在邊坡施加抗滑樁作為支護。參考邊坡的有效塑性云圖，擬定兩種抗滑樁支護方案，分別是在二級邊坡坡頂和一級邊坡坡頂設(shè)置抗滑樁，如圖1所示，抗滑樁1（工況1）、抗滑樁2（工況2）兩種工況，其長度分別為12m和8m。施加抗滑樁后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)分別1.75和1.54，這說明抗滑樁的施加對邊坡穩(wěn)定性提高有效，且抗滑樁的施加位置應(yīng)處于有效塑性區(qū)中部，更有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖4 邊坡有效塑性區(qū)云圖

(2)邊坡坡面水平位移分析

考慮邊坡的長期穩(wěn)定性，提取分析邊坡的水平位移值（坡面臨空面為正），抗滑樁1的坡面水平位移結(jié)果如圖5所示。可知，坡面的水平位移變化有很強的區(qū)域性，每一級邊坡的坡面水平位移呈現(xiàn)不同的規(guī)律，自上而下分析，第四級邊坡坡頂?shù)乃轿灰苹静蛔儭５诙墶⒌谌夁吰滤轿灰浦饾u擴大，最后在第一級邊坡處又逐漸減小，最大值約為29mm。這說明第二級、第三級邊坡容易出現(xiàn)位移變化極值點，在施工和設(shè)計中應(yīng)對該處加強控制和監(jiān)測。

圖5 邊坡水平位移圖

2.邊坡抗震穩(wěn)定性分析

(1)邊坡穩(wěn)定系數(shù)分析

通過“非線性時程+SRM”分析邊坡，得到邊坡在地震作用下的穩(wěn)定系數(shù)變化圖，如圖6所示，圖中工況1、工況2分別與圖1中兩種工況對應(yīng)。從兩種工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)整體變化情況可以得出，邊坡在地震過程中的穩(wěn)定性隨地震作用時長持續(xù)下降，呈非線性變化。在地震作用的前4s內(nèi)，兩種工況的邊坡穩(wěn)定系數(shù)都呈較大幅度的下降，降幅達到28%左右，在4s～6s內(nèi)，邊坡的穩(wěn)定性下降幅度減緩，最后6s～10s逐漸變得穩(wěn)定，最終工況1的安全系數(shù)穩(wěn)定在1.2，工況2的安全系數(shù)穩(wěn)定在1.05。而《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）要求高速公路路基邊坡大于20m的抗震穩(wěn)定系數(shù)不小于1.15，因此工況2方案不予采用。

(2)邊坡坡面水平位移分析

提取分析工況1邊坡地震前后坡面的最大水平位移情況，如圖7所示。

圖7 邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

由圖7可知，地震前后坡面的位移情況不同，地震后邊坡水平位移最大值與邊坡高度有關(guān)，邊坡高度越高，水平位移值變化越明顯，也就是坡頂?shù)乃轿灰浦底畲螅畲笾禐?1mm，這種現(xiàn)象與地震過程中PGA放大系數(shù)有關(guān)[3]。而地震前邊坡的水平位移最大值為塑性區(qū)發(fā)育最多的區(qū)域（坡高8m～24m）。這種情況表明，邊坡在地震荷載和重力荷載時處于兩種不同的狀態(tài)，地震荷載作用下影響更多的是邊坡高處區(qū)域，自重荷載作用下影響的是邊坡塑性屈服區(qū)域，因此在邊坡設(shè)計中應(yīng)充分考慮邊坡的狀態(tài)，采用合理有效的支護措施，在提高邊坡穩(wěn)定性的同時提高其抗震穩(wěn)定性。

(3)抗滑樁彎矩分析

抗滑樁地震前后的彎矩對比如圖8所示，可以得出在地震前后彎矩的變化情況不同，地震前抗滑樁的樁身整個彎矩較小，彎矩最大值為135.6kN·m，位于樁身3m處，該位置位于邊坡有效塑性區(qū)最大位置，也是重力作用下邊坡的水平位移最大處。震動后可見抗滑樁的彎矩值呈現(xiàn)“S”形變化曲線，且彎矩值較地震前增大，最大值為1398kN·m，其位置與地震前保持一致，處于樁身3m處。從整個樁身的彎矩變化情況可以得出，抗滑樁在地震過程中發(fā)揮了支護作用，土體在地震波的作用下水平振動，抗滑樁則提供抵抗土體水平位移的力，產(chǎn)生如圖8所示的“S”形彎矩圖形態(tài)，且彎矩值在樁身的分布情況變化較小，這充分反映了抗滑樁在地震過程中的作用，以及地震對土體的影響是自上而下逐漸減小的，與前文坡面水平位移分析得出結(jié)果相符。

圖8 抗滑樁樁身彎矩對比圖

四、結(jié)語

抗滑樁的施加有利于邊坡穩(wěn)定性的提高，抗滑樁設(shè)置在有效塑性區(qū)中部，能更好地提高邊坡的穩(wěn)定性；邊坡的水平位移值最大區(qū)域處于最大有塑性區(qū)范圍；邊坡在地震波的作用下穩(wěn)定性總體降低，地震初期下降最快，中期稍緩，最后保持相對穩(wěn)定；地震對邊坡的影響與坡高有關(guān)，坡體越高，影響越大，同時抗滑樁的彎矩在地震波的作用下增大，且隨樁身呈“S”形變化。