抗滑樁加固巖質邊坡穩定性影響分析

賴柳軍

(柳城縣交通運輸局，廣西 柳州 545200)

0 引言

抗滑樁作為一種常用的邊坡加固方式，在工程中得到了廣泛應用。朱泳、代凌輝等[1-2]基于強度折減法，采用有限元模擬的方法分析了影響抗滑樁加固邊坡穩定性的因素，并重點對抗滑樁的樁身受力、樁身變形進行了研究。王振軍、馬志勇[3-4]以抗滑樁加固邊坡為研究對象，重點探討了影響其作用發揮的因素，研究表明抗滑樁的位置、樁身長度及樁身彈性模量等具有重要的影響，設計時應充分考慮。唐迎春、李海波[5-6]通過建立土質階梯型邊坡抗滑樁計算模型，分析了抗滑樁位置、樁土力、附加荷載對邊坡穩定性的影響，并推導得到了抗滑樁加固階梯型邊坡安全系數的表達式。曹文軒、王張軍等[7-8]以抗滑樁加固邊坡為研究對象，采用有限元軟件研究了抗滑樁加固邊坡的效果，重點分析了抗滑樁加固邊坡的位移和安全系數，結果可為類似工程中抗滑樁設計提供參考。本文主要以某巖質邊坡開挖支護工程為研究對象，采用ABAQUS軟件建模，重點分析了抗滑樁加固巖質邊坡效果，進行參數影響分析，并對預應力錨索抗滑樁加固巖質邊坡效果進行了驗算，研究結果可為預應力錨索抗滑樁加固巖質邊坡工程提供參考。

1 工程概況

某邊坡地處西南地區，有擬建道路通過，需要對一側坡體做挖方處置，該地區巖質主要為強風化花崗巖，情況如圖1所示。擬采用抗滑樁錨索支護方式，錨索與水平面夾角取30°，施加預應力，長度取24 m，其中錨固段長10 m，設計3排錨桿，每排間距取3.0 m，左右間距取3.5 m，注漿層厚度取130 mm，錨索由4根直徑為15.2 mm的鋼絞線組成。抗滑樁尺寸為：長3 m×寬2 m，長邊和寬邊分別位于側面和正面。采用C30混凝土現澆施工方式。

圖1 巖質邊坡斷面圖

2 數值建模

圖2所示為巖質邊坡計算模型圖，模型長、寬、高分別取100 m、20 m、60 m，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。邊坡采用C8D8網格建立，土體采用摩爾-庫侖模型，樁體采用彈性模型。下頁表1為土體的物理力學參數，表2為抗滑樁的物理力學參數。

圖2 數值模型圖

表1 土體的物理力學參數表

表2 抗滑樁的力學參數表

3 抗滑樁加固巖質邊坡分析

為探索影響抗滑樁加固效果的因素，本節主要分析抗滑樁位置、樁長以及樁水平間距的影響。

3.1.1 抗滑樁位置影響分析

為了分析抗滑樁不同位置的影響，如圖3所示，共設置四種不同抗滑樁位置工況，采用強度折減法進行分析。

圖3 抗滑樁四種工況示意圖

如圖4所示，給出了四種工況下抗滑樁加固邊坡水平位移云圖。由圖4可知，抗滑樁不同位置時邊坡水平位移存在差異，工況三效果最佳，其次是工況二，最差的是工況一。

(a)工況一

(b)工況二

(c)工況三

(d)工況四

為了更加直觀地分析抗滑樁不同位置對邊坡的穩定性影響，測出不同抗滑樁位置下邊坡最大水平位移監測值如圖5所示。由圖5可知，工況一至工況四對應的邊坡最大水平位移分別為48.31 mm、44.15 mm、38.46 mm、45.23 mm，即抗滑樁位于第三級邊坡坡腳時，邊坡的水平位移最小。

圖6所示為巖質邊坡不同抗滑樁位置下邊坡安全系數。由圖6可知，工況一至工況四對應的邊坡安全系數分別為1.142、1.206、1.273、1.185，這與邊坡位移所反映的規律一致，即當抗滑樁位于第三級邊坡坡腳時，邊坡的安全系數最大，加固效果最好，設計時可以通過合理設計抗滑樁位置來增加邊坡的穩定性。

圖5 不同抗滑樁位置下邊坡最大水平位移曲線圖

圖6 不同抗滑樁位置下邊坡安全系數曲線圖

3.1.2 抗滑樁樁長影響分析

圖7所示為邊坡最大水平位移隨抗滑樁樁長的變化曲線。由圖7可知，隨著抗滑樁樁長的增加，邊坡最大水平位移逐漸減小，相比于抗滑樁樁長取12 m時，抗滑樁樁長取14 m、16 m、18 m、20 m時邊坡最大水平位移分別減小了4.4%、8.2%、10.9%、11.9%。

圖7 邊坡最大水平位移隨抗滑樁樁長變化曲線圖

為了直觀分析抗滑樁樁長變化對邊坡穩定性的影響，圖8繪出了邊坡安全系數隨抗滑樁樁長的變化曲線。由圖8可知，隨著抗滑樁樁長的增加，邊坡安全系數逐漸增大，相比于抗滑樁樁長取12 m時，抗滑樁樁長取14 m、16 m、18 m、20 m時邊坡安全系數分別增大了3.3%、6.6%、8.3%、9.1%。

圖8 邊坡安全系數隨抗滑樁樁長變化曲線圖

綜上可知，通過增加抗滑樁樁長可以增大邊坡的穩定性，但隨著抗滑樁樁長的持續增加，當樁長超過18m時，繼續增加樁長使得邊坡安全系數增幅變得緩慢，同時會導致施工成本增加，因此應合理設計抗滑樁樁長。

3.1.3 抗滑樁水平間距影響分析

圖9所示為邊坡最大水平位移隨抗滑樁水平間距的變化曲線。由圖9可知，隨著抗滑樁水平間距的增大，邊坡最大水平位移逐漸增大，相比于抗滑樁水平間距取4 m時，抗滑樁水平間距取5 m、6 m、7 m、8 m時邊坡最大水平位移分別增大了0.6%、1.9%、5.1%、9.1%。

圖9 邊坡最大水平位移隨抗滑樁水平間距變化曲線圖

為了直觀分析抗滑樁水平間距變化對邊坡穩定性的影響，下頁圖10所示為邊坡安全系數隨抗滑樁水平間距的變化曲線。由圖10可知，隨著抗滑樁水平間距的增大，邊坡安全系數逐漸減小，相比于抗滑樁水平間距取4 m時，抗滑樁水平間距取5 m、6 m、7 m、8 m時邊坡安全系數分別減小了0.4%、1.4%、3.8%、8.0%。

綜上可知，增大抗滑樁水平間距會導致邊坡的穩定性下降，當樁間距較小時，邊坡穩定性隨抗滑樁樁間距增大變化不明顯；當樁間距>6 m時，繼續增大樁間距，邊坡安全系數迅速降低，因此設計時應合理設計樁間距，以保證工程的經濟性。

圖10 邊坡安全系數隨抗滑樁水平間距變化曲線圖

4 預應力錨索抗滑樁加固效果分析

單一的抗滑樁加固邊坡能力有限，可以采用預應力錨索+抗滑樁的形式加固邊坡。由前文可知，抗滑樁在第三級邊坡坡腳位置時，加固效果最佳，本節即以抗滑樁位于第三級邊坡坡腳位置、樁長取18 m、樁間距取6 m為例。采用預應力錨索支護，錨索和注漿錨固段的力學參數如表3所示，錨桿施加預應力500 kN，布設形式如圖11所示。

表3 錨索和注漿錨固段的力學參數表

由圖11可知，采用預應力錨索抗滑樁加固后邊坡最大安全系數為1.54，相比于單一抗滑樁加固時，邊坡安全系數增大了約21%。由此可知，采用預應力錨索抗滑樁加固方法效果要優于單一抗滑樁加固方法。

5 結語

本文主要以某巖質邊坡開挖支護為研究對象，采用ABAQUS建模，重點分析了抗滑樁加固巖質邊坡效果并進行參數影響分析，對預應力錨索抗滑樁加固巖質邊坡效果進行了驗算，得到以下結論：

(1)抗滑樁位于第三級邊坡坡腳時，邊坡的安全系數最大，加固效果最好，設計時可以通過合理設計抗滑樁位置來增加邊坡的穩定性。

(2)通過增加抗滑樁樁長可以增大邊坡的穩定性，但隨著抗滑樁樁長的持續增加，當樁長>18 m時，繼續增加樁長使得邊坡安全系數增幅變得緩慢，同時會導致施工成本增加，因此應合理設計抗滑樁樁長。

(3)增大抗滑樁水平間距會導致邊坡的穩定性下降，當樁間距較小時，邊坡穩定性隨抗滑樁樁間距增大變化不明顯；當樁間距>6 m時，繼續增大樁間距，邊坡安全系數迅速降低，因此設計時應合理設計樁間距，以保證工程的經濟性。

(4)采用預應力錨索抗滑樁加固后邊坡最大安全系數為1.54，相比于單一抗滑樁加固時，邊坡安全系數增大了約21%，即采用預應力錨索抗滑樁加固方法效果要優于單一抗滑樁加固方法。