公路高邊坡抗滑樁優化設計研究

周 浪，何鐘千

(1.九江市公路發展中心廬山分中心，江西 九江 332900；2.九江市柴桑區交通運輸局，江西 九江 332100)

1 抗滑樁優化方案設計

在實地勘察過后，選取某高邊坡出現有較大裂縫且坡度較大，發生邊坡失穩的可能性很大，所以對該高邊坡進行治理，本試驗采取在邊坡底部邊沿加固16根由C30鋼筋混凝土組成的抗滑樁作為治理方案，在“樁-土”系統中進行模擬，相關實驗模擬參數見表1。

表1 “樁—土”相關參數表

2 抗滑樁的影響參數優化分析

2.1 樁位優化分析

該邊坡的潛在滑面處于中風化巖層和全風化巖層的不整合接觸面上，垂直方向上邊坡臨空面和潛在的滑動面的最大距離約18.5 m，現在要在該邊坡選四個樁位，分別用①表示在跛腳位置的樁，②表示在二級邊坡上部位置的樁，③表示在四級邊坡上部位置的樁，④表示坡頂位置的樁，進行ABAQUS模擬試驗，不同樁位的計算結果見表2所示。

由表2分析可知，加固后邊坡的水平位移和最大垂直位移都變小了，主要原因是加固在坡頂、四級邊坡上部、二級邊坡上部、坡腳這四個位置的抗滑樁起作用了，其中當樁位處于坡腳(①號位)和坡頂(④號位)時，滑動面幾乎沒有發生移動，也就是說明這兩個位置的抗滑樁沒有起到保護效果；當樁位處于四級邊坡上部(③號位)時，邊坡位移減小量最大，此時樁對邊坡的加固作用最明顯，支護效果最好。這四個位置樁位對應的支護效果從大到小分別為：四級邊坡上部(③號位)>二級邊坡上部(②)>坡腳(①號位)=坡頂(④號位)。

表2 “樁—土”評價指標計算值

圖1 Fs隨樁位的變化曲線

由圖1可知，從穩定系數(Fs)角度分析，從坡腳(①號位)到坡頂(④號位)對應的Fs值從1.215→1.260→1.310→1.112變化，所以樁位處于四級邊坡上部(③號位)為最佳樁位。

2.2 樁長優化分析

結合2.1分析得出的結果，選擇四級邊坡上部(③號位)的基礎上設置了七組不同的樁長進行優化分別為：31 m、32 m、33 m、34 m、35 m、36 m、37 m，其他樁的參數不變，通過采用ABAQUS對不同樁長下對應的樁位移、穩定系數Fs、邊坡的位移等，通過數據計算分析ABAQUS的計算結果見表3、圖2所示。

表3 “樁—土”評價指標計算值

結合表3可知，樁長的減小，反而會導致邊坡的最大水平和豎直位移增加，即說明增加樁長能提高邊坡的抗滑性，間接可以說明最優的樁長是34 m。

圖2 穩定系數隨樁長的變化曲線

由圖2可以看出，從穩定系數()角度分析，和樁長存在正相關關系，當樁長達到35 m時，FS值趨于穩定，由此可知，樁長36 m是個拐點，且樁長在31～35 m區間邊坡的穩定性會隨著樁長的增加而增加；但是其變化的長度對提高加固效果并不明顯，因此可以判斷最佳樁長為36 m。

結合位移和樁長的變化關系分析，判斷最佳樁長為34 m，有穩定系數和樁長的變化關系可知最佳樁長為36 m，綜上所述，從工程的安全性和經濟性考慮，樁長35 m為最優樁。

2.3 樁間距優化分析

由2.1和2.2這兩節分析可知，該邊坡最佳樁長為34 m，最佳位置處于四級邊坡上部(③號位)。現將在最佳樁長和樁位的情況下對樁間距進行ABAQUS試驗模擬分析，設置五組樁間距分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，其他樁的因素不變。將不同樁間距下的穩定系數、樁位移、邊坡位移等進行比較分析，進而得出最佳的樁間距。最終模擬試驗結果見表4、圖3所示。

表4 “樁—土”評價指標計算值

結合表4分析可知，隨著樁間距的增加邊坡的U1、和U2也跟著增加，也就是說明抗滑樁的加固效果會隨著樁間距的增加而減弱，由此可初步判斷，最優的樁間距為4 m。

圖3 穩定系數隨樁間距的變化曲線

由圖3可以看出，樁間距從4～8 m時對應的安全系數減少量變大，即隨著樁間距的增大，安全系數Fs在減少，當8 m之后，隨著樁間距的變化安全系數Fs值變化不明顯，趨于穩定。所以，可以認為最佳的樁間距為4 m。

2.4 樁橫截面優化分析分析

從2.1、2.2、2.3這三個章節得到抗滑樁的最佳位置，最佳樁長和最佳樁間距，以此為前提，采用方樁對樁的橫截面面積進行試驗分析，設置五組方樁規格分別為：1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.5 m×2.5 m、3.5 m×3.5 m、4.5 m×4.5 m，然后按照單一變量的試驗原則，采用ABAQUS軟件分析得出不同樁橫截面長度對應的穩定系數、樁位移、邊坡位移等，通過數據比價分析選出最佳的樁橫截面規格。最終通過ABAQUS模擬得出的結果見表5和圖4,圖5所示。

表5 “樁-土”評價指標計算值

從表5可以看出，當樁截面從1.0 m×1.0 m增加到4.5 m×4.5 m的過程中，邊坡的U1、和U2隨著樁截面面積的增大而逐漸減小，說明樁的橫截面面積增加能提高邊坡的穩定性。

圖4 樁位移隨樁截面邊長的變化曲線

從圖4可以看出，抗滑樁的U2整個過程都變化很小，而U1的值卻隨著樁橫截面面積的增大而減小，抗滑樁的U1值變化的拐點對應樁的橫截面是大于2.5 m×2.5 m時，所以初步認為最優樁的橫截面面積為2.5 m×2.5 m的正方形樁。

圖5 穩定系數隨樁面積的變化曲線

由圖5可以看出，樁截面面積的增大引起穩定系數相對應的增加，進而可認為抗滑樁截面積增大，可以提高加固效果。當樁截面為2.5 m×2.5 m和3.5 m×3.5 m時，均能滿足邊坡的穩定性要求，結合工程的經濟性和邊坡的位移，最終判斷最佳的樁截面為2.5 m×2.5 m。

3 結 論

主要為研究公路高邊坡抗滑樁的優化設計，采用有限元分析軟件ABAQUS并結合相關理論知識對抗滑樁的影響參數及位移的變化規律進行模擬分析，提出最優的抗滑樁設計方案，研究結果表明：樁位、樁長、樁間距、樁橫截面等因素都會對抗滑樁方案產生明顯的影響。