排樁加固邊坡應力在土體內的分布特征研究

劉群麗

(廣東城華工程咨詢有限公司，廣州 510660)

1 概 述

對于地質條件情況復雜的邊坡工程，其加固措施的選擇對邊坡穩定性有著關鍵作用，工程設計中，通常采用小間距多排樁的加固方式，實現該類邊坡在使用年限內的穩固可靠。

為了研究其對邊坡的加固效果，許多學者對多種工況條件下抗滑樁加固后的邊坡進行了研究。劉坤等[1]對我國2022年北京冬奧會用于滑雪項目修建的高填方賽道進行了抗滑樁加固條件下的數值研究，結果表明不進行抗滑樁加固，滑雪賽道在暴雨和地震條件下將會出現變形量大和穩定性低的情況，而抗滑樁的應用解決了這一問題。李濤等[2]通過建立縮尺模型，分別對不同樁間距時抗滑樁治理滑坡時樁體和附近隧道的受力特征進行了模型試驗研究，結果表明隨著樁間距增大，同等荷載條件下，樁體和附近隧道的應力隨之增大；而同等樁間距條件下，隨著荷載增大，樁體和附近隧道的應力也隨之增大。馮玉濤等[3]針對堆積體形成陡斜坡，以某高速公路邊坡工程為研究對象，從影響穩定性條件的差異性角度對堆積體陡斜坡的安全穩定性進行了深入的分析探討。結果表明陡斜坡地形地貌坡度、坡腳的特殊臨空特點、坡頂上的人為堆載是該類堆積體斜坡發生變形破壞、進而呈現失穩狀態的關鍵因素，應采取針對性處治措施，避免上述可能存在的問題，或對上述問題進行處理。梁志榮等[4]通過南京實際山地環境下的一處建筑邊坡，研究了山地環境中邊坡的加固設計方法，結果表明采用多排抗滑樁的加固方式能夠有效加固邊坡，提高其抗滑穩定性，對不同的滑坡模式均有較好治理能力。鄧方明等[5]針對高達30～50 m且處于山區以及下方為河流碼頭的順層巖質邊坡的穩定性加固措施采用Geo-slope軟件進行了研究，結果表明組合式設計加固措施“格構錨索+抗滑樁”的支護結構在滑面上的抗力越大，產生的增強邊坡穩定性的作用就越強。李新哲等[6]針對抗滑樁加固位置的確定方法進行了研究，結果表明基于滑帶應力分析建立的抗滑樁加固位置確定方法確定的抗滑樁布置位置能夠很好地提高安全系數，起到理想的加固效果。徐青等[7]針對邊坡條間法向作用力的計算方法較為有限的問題，通過自編程序對Geo-SLOPE/W模塊進行二次開發，實現了多方法計算條間法向作用力，結果表明該方法應用于工程實際中是合理而有效的。呂韶全等[8]通過地基的極限承載力方面的理論方法，對抗滑樁土拱效應進行了研究，獲得了一種新的力學分析方法，專門用于計算土拱效應。王鵬斌等[9]采用的數值分析的手段，對門架式抗滑樁的相關設計參數優化方法和抗滑樁樁身的變形特征開展了分析研究，結果表明門架式抗滑樁樁間距和樁排距的設置對最后的變形有重要影響，應分別設置在范圍是3 D～5 D和3 D～4 D的區間。李煥煥等[10]對烏江東岸高填方導致的堆積體邊坡的幾何形狀和荷載情況發生變化后帶來的穩定性不確定問題進行了支護措施研究，結果表明采用組合式支護結構“抗滑群樁+扶壁式擋墻”的加固方式后，穩定性明顯提高，為類似工程的設計提供了樣板。

上述研究成果均未涉及與土體內力相關的問題，而抗滑樁對邊坡的加固效果，在土體內力的相互作用關系中體現明顯。因此，本文結合某山區土體加固的實際邊坡工程，從土條間相互作用力的研究角度，采用Geo-studio軟件對排樁加固邊坡后的邊坡穩定問題進行研究。

2 工程概況

該實體邊坡位于廣東省西部山區，邊坡橫剖面見圖1。構成邊坡的各層材料主要有新近紀風化土、軟質巖和硬質巖組成，各層巖土體的物理力學性質見表1。

圖1 邊坡橫剖面圖

表1 巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

采用Geostudio軟件，根據實體邊坡模型尺寸進行建模分析。其中，設計采用四排樁進行加固，樁間距為2 m，按照實際邊坡模型的坡度進行建模分析。

四排樁基的位置布置見圖2。樁基采用打入固定端的承載模式，按照設計嵌入基巖深度5 m進行數值建模，樁的強度為400 kPa，樁排距為2.5 m，樁間距為2 m，采用矩形界面樁，樁的截面慣性矩(IY和IZ)為5.55×103m4，設計有效剪切力為其自身強度的最大值400 kPa。在模擬中，抗滑樁作為一種加固荷載存在[11-12]。

圖2 抗滑樁分布特征圖

3.2 法向壓應力和切向剪應力

計算結果圖見圖3。土條間相互作用的法向作用力隨著x坐標的變化趨勢見圖4。

由圖3可知，經過排樁的加固后，該工程邊坡變得十分穩定。其失穩滑面僅為近表層土體部位，說明下部抗滑樁加固起到很好的效果，同時說明樁的強度能夠實現在該類邊坡的有效加固。

圖3 求解分析結果圖

圖4 土條間法向力隨x變化圖

由圖4可知，土條間的法向力先增大后減小，增大段較短，減小段較長。因此，曲線在上升階段的斜率較大，表明邊坡在近坡頂位置處的土體相互之間的推擠作用較強，說明土體有明顯的向右側運動的趨勢，最大值為209 kN，對應土條的x坐標值為16.9 m。越過該極大值后，土條間的法向力逐漸變小，變化曲線隨著x值的增大而降低，但曲線斜率較小，說明排樁起到了很好的抗滑作用。

由圖5土條間的切向力隨x值的變化趨勢可知，土條間的切向力先增大后減小，增大段較短，減小段較長。因此，曲線在上升階段的斜率較大，表明邊坡在近坡頂位置處的土體相互之間的推擠作用較強，說明土體有明顯的向右側運動的趨勢，最大值為43.6 kN，對應土條的x坐標值為22.3 m。越過該極大值后，土條間的切向力逐漸變小，變化曲線隨著x值的增大而降低，但曲線斜率較小，說明排樁起到了很好的抗滑作用。

圖5 基底總正應力隨x變化圖

4 結 論

通過對山區某邊坡在排樁加固條件下的土條間作用力分析研究，獲得排樁加固邊坡后土體內力變化特征，結論如下：

1) 隨x值的增大，土條間的法向力先增大后減小，增大段較短，減小段較長。邊坡在近坡頂位置處的土體相互之間的推擠作用較強，而隨著排樁發揮作用，土條間的法向力逐漸變小。

2) 土條間的切向力有著與法向力相似的變化趨勢，曲線斜率在上升階段較大，下降階段較小，表明排樁發揮了很好的抗滑作用。

3) 邊坡土體間的作用力復雜，詳細分析了排樁加固邊坡土體中土條間相互作用力隨著x坐標的變化趨勢。