基于數值模擬方法的預應力錨索抗滑樁加固邊坡分析

■柴軍鋒

（山西路橋建設集團有限公司，太原 030006）

預應力錨索抗滑樁作為一種實用有效的邊坡支護方式，在加固邊坡工程中得到了廣泛的應用[1-3]。李寧寧[4]以某工程為研究對象，采用有限元軟件對預應力錨索抗滑樁加固邊坡進行數值計算，并將數值模擬結果與理正巖土軟件計算的結果進行對比，驗證了數值模型的正確性。 李曉林[5]采用ABAQUS分析軟件，對某邊坡工程采用錨索抗滑樁支護方法進行數值模擬，分別對樁位、樁長、錨索長度、預應力大小進行了模擬分析，從而確定了最佳的加固方案。 張衛雄等[6]以某邊坡采用預應力錨索抗滑樁支護為研究對象，基于極限平衡理論，通過假設邊坡滑動面為圓弧面，推導得到了邊坡最危險滑移面搜索模型和邊坡穩定性計算公式。 本文以某邊坡加固設計為研究對象，采用數值模擬的方法對原設計方案進行效果評定， 根據原設計的不足進行優化設計，并對優化設計后的邊坡技術狀況進行評定，研究結果可為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

某邊坡工程，原設計采用預應力錨索結合單排抗滑樁加固邊坡的方法，如圖1 所示，邊坡土層從上至下依次為雜填土、粉質黏土、全風化花崗巖和強風化花崗巖。 已知邊坡高21.4 m，邊坡縱向長度為8.1 m，抗滑樁長度為20 m，其中懸臂端和錨固段長度分別為8 m 和12 m， 抗滑樁水平間距取3.0 m，抗滑樁截面尺寸為1.6 m×1.2 m。錨索長度為24 m，其中自由段和錨固段長度分別為11 m 和13 m。

圖1 原設計抗滑樁及錨索示意圖

2 數值分析模型建立

該工程原設計采用有限元軟件MIDAS/GTS 建立數值模型 （圖2）。 邊坡整體長、 寬和高分別為50 m、13.2 m 和40 m。 抗滑樁長度為20 m，其中懸臂端長度為8 m， 相鄰抗滑樁水平間距取3.0 m，抗滑樁截面為方形， 尺寸為1.6 m×1.2 m， 其中長邊1.6 m 垂直于坡面。 錨索長度為24 m， 施作在樁頂位置， 其中自由段和錨固段長度分別為11 m 和13 m， 錨索與水平面夾角為25 °， 施加預應力180 kN。土體的物理力學參數見表1，抗滑樁和錨索力學參數見表2。

圖2 原設計數值模型圖

表1 土體的物理力學參數

表2 抗滑樁和錨索力學參數

由于該工程所在地區經常受強降雨的影響，根據工程當地的歷史強降雨統計數據，采用公式（1）計算降雨量：

式中：q 為降雨量；P 為重現期；t 為降雨歷時。

由上式可計算得出，該地區10 年重現期內24 h的降雨量為152.3 mm。 本文采用MIDAS/GTS 軟件滲流分析模塊，設置降雨強度為150 mm/d，降雨加載時長為1 h，為均勻降雨。

3 原設計邊坡加固方案數值模擬分析

對原設計邊坡加固方案進行數值模擬分析，主要分析邊坡在天然工況和強降雨工況下的穩定性。由圖3 可知， 在天然工況下， 最大水平位移值為17.10 mm，最大水平位移出現在抗滑樁上部6 m 左右的坡面上；在強降雨工況下，最大水平位移值為25.10 mm，最大水平位移出現在抗滑樁頂部。 綜上可知，強降雨工況下的邊坡最大水平位移比天然工況下增大了46.8%，強降雨導致邊坡最大水平位移發生位置下移。

圖3 不同工況下的邊坡水平位移云圖

由圖4 可知，在天然工況下，最大豎向位移值為28.20 mm，最大豎向位移出現在坡頂附近；在強降雨工況下，最大豎向位移值為32.43 mm，最大豎向位移出現位置不變。 綜上可知，強降雨工況下的邊坡最大豎向位移比天然工況下增大了15.0%，邊坡最大豎向位移均出現在坡頂附近。

圖4 不同工況下的邊坡豎向位移云圖

抗滑樁的位移主要以水平位移為主，如圖5所示，在天然工況下，抗滑樁最大水平位移值為4.43 mm；在強降雨工況下，抗滑樁最大水平位移值為21.32 mm，抗滑樁水平位移從樁頂到樁頂依次減小。 綜上可知，抗滑樁樁頂水平位移最大，樁底水平位移最小，強降雨工況下的抗滑樁最大水平位移比天然工況下增大了3.81 倍。

圖5 不同工況下的邊坡抗滑樁水平位移

根據原設計邊坡加固方案在天然工況和強降雨工況下的邊坡安全系數和位移對比監測數據（表3），結合圖3～5 可知，強降雨對邊坡穩定性具有較大的影響，強降雨工況下的邊坡安全系數比天然工況下減小了14.8%。 根據GB50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》規定，一級邊坡在天然工況和強降雨工況下的邊坡安全系數應不小于1.35 和1.05， 因此，原設計邊坡加固方案不滿足規范要求，尤其是在強降雨工況下邊坡處于欠穩狀態，存在滑塌風險。

表3 不同工況下的邊坡監測數據對比

4 原邊坡加固設計方案優化設計

根據數值模擬結果， 原始坡身縱向長度為8.1 m，坡率約為1∶1，仍存在安全隱患，需要對原設計邊坡加固方案進行優化。 首先對雜填土和粉質黏土層邊坡進行放坡處理，坡率取1∶3，之后在粉質黏土坡腳處設置后排樁，并設置排水溝，雙排樁間距為3 m，為了減小雙排樁之間的相互影響，采用交錯布置形式，如圖6 所示。

圖6 優化設計后抗滑樁及錨索示意圖

對優化后的設計方案重新建模（圖7），除新增的后排抗滑樁和對應錨索之外，其余不變。 新增后排抗滑樁長度為12 m，其中懸臂端長度為1.8 m，相鄰抗滑樁水平間距取3.0 m，抗滑樁截面為正方形，尺寸為1.0 m×1.0 m。錨索長度為22 m，施作在樁頂位置， 其中自由段和錨固段長度分別為12 m和10 m，錨索與水平面夾角為25°，施加預應力120 kN。

圖7 優化后數值模型圖

由圖8 可知，優化后的前排樁水平位移明顯減小。 優化前的前排抗滑樁最大水平位移發生在樁頂，最大值為4.43 mm；優化后的前排抗滑樁最大水平位移發生在樁頂以下2 m 左右處，最大值為0.83 mm。 即增加后排抗滑樁后，前排抗滑樁最大水平位移減小了81.3%。

圖8 天然工況下優化設計前后前排樁水平位移對比曲線

由表3 可知，在天然工況下，優化設計后的邊坡安全系數增大了13.9%， 邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了76.0%、47.6%和81.3%，后排抗滑樁最大水平位移值為1.02 mm。 根據GB50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》規定，優化設計后的邊坡安全系數大于1.35，滿足規范要求。

表3 優化設計前后天然工況下的邊坡監測數據對比

由表4 可知，在強降雨工況下，優化設計后的邊坡安全系數增大了21.2%， 邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了82.9%、53.9%和93.5%， 前排抗滑樁最大水平位移降低明顯，后排抗滑樁最大水平位移值為1.43 mm。 根據GB50330-2013《建筑邊坡工程技術規范》規定，優化設計后的邊坡安全系數大于1.26，滿足規范要求。

表4 優化設計前后強降雨工況下的邊坡監測數據對比

5 結論

以某邊坡加固設計為研究對象，采用數值模擬的方法對原設計方案進行了效果評定，根據原設計的不足進行了優化設計，并對優化設計后的邊坡技術狀況進行了評定，得到以下結論：

（1）原設計邊坡加固方案在天然工況和強降雨工況下的邊坡安全系數分別為1.22 和1.04，不能滿足規范要求。 尤其是在強降雨工況下邊坡位移和抗滑樁位移明顯增大，邊坡處于欠穩狀態，需要進行優化設計。

（2）采用增加后排抗滑樁的優化設計后，天然工況下邊坡安全系數增大了13.9%， 邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了76.0%、47.6%和81.3%，滿足規范要求。

（3）采用增加后排抗滑樁的優化設計后，強降雨工況下的邊坡安全系數增大了21.2%，邊坡最大水平位移、邊坡最大豎向位移和前排抗滑樁最大水平位移分別減小了82.9%、53.9%和93.5%， 滿足規范要求。