抗滑樁加固參數對邊坡穩定性影響的數值計算

刁海珠

（安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年來，我國鐵路、公路、庫區等工程開始向偏遠山區的發展，由于我國山區地形崎嶇、地質條件復雜，施工過程中深挖高填現象十分普遍，由此產生了較多的邊坡工程問題，帶來的經濟及安全損失也日益增加。目前邊坡治理成為國內外學者的研究熱點，其中最為有效的方法是進行邊坡加固，常見的加固方法有注漿加固、擋土墻加固、抗滑樁加固、預應力錨桿（錨索）加固等。其中抗滑樁加固是一種應用廣泛且有效的加固方法，目前對抗滑樁加固邊坡穩定性的研究多集中在模型試驗和加固效果計算上[1-5]，而對于抗滑樁加固參數對邊坡穩定性的影響研究較少，本文基于FLAC3D數值模擬軟件，從樁位、樁長兩種抗滑樁加固參數出發，計算不同抗滑樁加固參數下的邊坡穩定性，同時著重分析邊坡內部土體以及樁體的響應規律，為利用抗滑樁加固的邊坡工程提供參考。

2 數值分析模型

本文采用的邊坡及抗滑樁計算模型如圖1所示，坡高10m、坡比為1:1.5。關鍵性邊坡土體參數：黏聚力c=20.1kPa、內摩擦角φ=23°、密度γ=21.5kN/m3。邊坡土體采用修正劍橋模型，抗滑樁采用彈性模型。FLAC3D中的抗滑樁單元示意圖如圖2所示。

圖1 抗滑樁及邊坡計算模型

圖2 抗滑樁單元示意圖

3 抗滑樁加固參數計算結果

現通過FLAC3D數值模擬軟件，從樁位以及樁長兩種抗滑樁加固參數出發，計算不同抗滑樁加固參數下的邊坡穩定性，研究了抗滑樁加固邊坡的剪力、位移以及彎矩的變化規律以及對其周圍邊坡土體的影響。

首先計算邊坡在自然狀態下的破壞形式，以此作對比分析。計算結果如圖3所示，利用強度折減法計算出該邊坡在自重下的安全系數FS為1.59，從圖3可以看出，在邊坡土體剪應變較大處出現了一個塑性貫通區，產生了潛在滑動面。

圖3 自然狀態下邊坡最大剪應變云圖

3.1 不同樁位條件下計算結果

圖4為不同樁位條件下邊坡的最大剪應變云圖，由圖可知，當抗滑樁設置在坡體不同位置上時，邊坡的破壞形式，即潛在滑動面位置是具有較大差異的。當抗滑樁設置在邊坡的中下部靠近坡腳時（XF／Lx=0、0.2、0.4），邊坡產生的塑性區區域從坡頂一直延伸到樁頂處，且形成滑動面，抗滑樁至坡腳處的邊坡土體沒有產生塑性區。當抗滑樁設置在靠近邊坡中心處時（XF／Lx=0.6），抗滑樁靠近坡頂和坡腳兩側的邊坡土體均產生了較大的剪應變，各形成了一個塑性區，且范圍較大，且有樁底深處土體蔓延的規律，但由于抗滑樁的阻隔，未形成連續的滑動面。當抗滑樁設置在邊坡的中上部靠近坡頂處時（XF／Lx=0.8、1.0），邊坡產生的塑性區區域從樁頂一直延伸到坡腳處，且形成滑動面，抗滑樁至坡頂處的土體沒有產生塑性區。由以上計算結果可知不同樁位下，邊坡土體形成的剪應變區域與潛在滑動面不同，破壞形式有著較大差別。

圖4 不同樁位的邊坡最大剪應變云圖

圖5 不同樁位抗滑樁的受力特性

圖5為不同樁位下的抗滑樁的受力特性，由圖5可知，樁身的彎矩隨著樁深的增加，呈現出先增大后減小的規律，當抗滑樁設置在靠近邊坡中部時，產生的剪應變區域最大，滑動面范圍最大，抗滑樁樁體的彎矩、剪力和撓度均達到最大值，此時抗滑樁所提供的抗滑力較大，坡體內部的剪應力較分散，未能形成連續的塑性貫通區，因此當抗滑樁樁位設置在靠近邊坡中部時，邊坡穩定性強。

3.2 不同樁長條件下計算結果

研究樁長對邊坡穩定性的影響規律，樁長分別取L=5m、10m、15m、20m、25m，樁位位于邊坡中部（XF／Lx=0.5），控制其他參數相同，計算加固邊坡的穩定性，將安全系數Fs作為定量評價邊坡穩定性的指標，圖6為安全系數隨樁長的變化規律。

圖6 安全系數隨樁長的變化規律

由圖6可知，邊坡的安全系數隨著樁長的增加呈現增大的趨勢，其原因是隨著樁長增加，錨固深度加大，抗滑樁所能影響的邊坡土體范圍增大，抗滑樁可提供的抗滑力提高，從而使邊坡穩定性提升。當樁長小于15m時，邊坡安全系數的增大趨勢較快，15m后，增大趨勢逐漸趨于平緩，即當抗滑樁樁長達到一定長度后，樁長對邊坡穩定性的提升能力減弱。因此，在實際工程中，需要根據實際工況來確定最佳樁長，而非越長越好，需要兼顧到施工難度以及建設成本。

圖7所示的分別是樁長L=5m、10m、15m、20m、25m時，抗滑樁所受彎矩、剪力和撓度隨樁長的變化規律。當樁長L=5m、10m時，樁體的彎矩、剪力均較小，此時抗滑樁的加固能力不明顯。當樁長L=15m、20m時，抗滑樁所受彎矩、剪力和撓度均較大，且增幅明顯，加固能力提升顯著，當樁長L在20m～25m時，部分樁體所受的彎矩、剪力和撓度幾乎為0，表明在20m～25m這段樁體幾乎沒有受力，即這段樁體對邊坡加固沒有起到作用，因此在本算例中，樁長取值15m～20m即可達到最優的加固效果。

圖7 不同樁長抗滑樁的受力特性

圖8所示的是不同樁長下抗滑樁設置在邊坡中心切面處的邊坡的破壞形態云圖。由圖8可知，當樁長L=5m、10m時，由于抗滑樁的貫入深度淺，產生的塑性區域范圍較大，且向樁底坡體內部延伸，且抗滑樁有著隨滑動土體發生位移的趨勢，當樁長L=15m、20m、25m時，所產生的塑性區基本相同，抗滑樁靠近坡頂和坡腳兩側的邊坡土體各形成了一個塑性區，但由于抗滑樁的阻隔，未產生連續的滑動面，加固效果顯著提高。

圖8 不同樁長時邊坡破壞形態云圖

4 結論

本文利用FLAC3D有限元數值模擬軟件，從樁位、樁長兩種抗滑樁加固參數出發，計算不同抗滑樁加固參數下的邊坡穩定性，研究了抗滑樁加固邊坡的剪力、位移以及彎矩的變化規律，對其周圍邊坡土體的影響，主要結論如下。

①抗滑樁樁位對邊坡的穩定性、滑動面位置都有很大影響。當抗滑樁設置在靠近邊坡中心處時，加固效果最好，抗滑樁靠近坡頂和坡腳兩側的邊坡土體均產生了較大的剪應變，各形成了一個塑性區，且范圍較大，且有向更深處的土體蔓延的趨勢，但由于抗滑樁的阻隔，未形成連續的滑動面。當抗滑樁位于邊坡靠近坡頂和坡腳時，加固效果則相對較差。因此，抗滑樁應設置在靠近邊坡中部的位置，這樣可有效保證邊坡穩定的同時節約成本。

②邊坡的穩定性隨著樁長的增加呈現增大的趨勢，但當抗滑樁樁長達到一定長度后，樁長對邊坡穩定性的提升能力減弱。當樁長L=15m、20m時，抗滑樁所受彎矩、剪力和撓度均較大，且增幅明顯，加固效果最優，本文中樁長最適宜的長度為15m～20m。