基于Midas/GTS的抗滑樁錨固位置和深度分析

鄭齊銀

（山西交科巖土工程有限公司，山西 太原 030012）

我國國土遼闊，有三分之二的面積為山地，復雜地形地貌造就了很多自然滑坡。隨著經濟社會的發展，各大交通要塞打通，隨之而來的是大量邊坡需要治理，特別是高邊坡。抗滑樁作為一種邊坡加固措施，在工程中被廣泛應用。然而工程中大多以類比和經驗設計為主，抗滑樁理論研究相對較少，本文將結合某高邊坡工程實例，分析研究抗滑樁的承載特性。

一、工程概況

本文依托的某省高速公路工程高邊坡工段，地勢呈南北向，南高北低，地勢險峻，坡體最大高差達到200m，線位走向形成多處滑坡危險點，工程難度高。該工程的高邊坡位于樁號k6+600～k6+750段。地勘報告顯示，該區段地層自上而下分別為填土、風化土和泥巖。此次高邊坡的模擬計算選取樁號為k6+670的最危險截面，如圖1所示。其中土體平均厚度為12m，風化土平均厚度為14m，泥巖的平均厚度為18m。經過現場踏勘，現狀土體經過風化、崩塌，局部已經出現失穩狀態，急需治理。根據工程類似經驗，擬定實施邊坡的削坡減載，同時加以抗滑樁支護。每級邊坡坡率為1∶1.25，坡高為8m，坡間設置2m寬馬道。

圖1 k6+670斷面

二、數值模擬分析

（一）模型的建立

以研究抗滑樁錨固深度和位置影響邊坡穩定性的規律為目的建立模型。基于以往建模經驗，模型長度設置為165m，高設置為70m。根據地勘斷面圖中的土層分界面，分別模擬填土、風化土和泥巖。為確保計算精度和速度，將其網格劃分為1m、2m、3m。模型模擬中各參數和本構模型選擇如表1所示。

表1 模型參數表

強度折減法在邊坡穩定性分析中被廣泛應用。在數值模擬中，采用Midas/GTS中強度折減法分析削坡后邊坡的穩定性，確認削坡后邊坡潛在滑動面的位置如圖2所示。計算結果顯示，邊坡潛在滑動面位于素土和風化土巖層交界面位置，此時邊坡安全穩定系數為1.16，未達到國家規范要求的邊坡安全穩定系數值（1.3），因此需采取有效的邊坡支護措施，提高邊坡安全穩定性。根據邊坡潛在滑動面的位置，擬定在邊坡中下部布設抗滑樁支護。擬定抗滑樁的布設位置為圖1工況1～工況3的位置，抗滑樁的截面尺寸均為1.5m×2m，抗滑樁錨固深度為潛在滑動面以下6m、10m、14m的位置，共計9種工況。

圖2 邊坡有效塑性區云圖

（二）計算結果分析

1.邊坡穩定性分析

通過計算9種工況的邊坡穩定性得到的邊坡安全穩定系數，如圖3所示。

圖3 邊坡安全穩定系數

由圖3可知，在抗滑樁錨固深度和設置位置變化過程中，邊坡安全穩定系數也隨之發生變化，其中最小值為1.2（工況1，錨固深度6m），最大值為1.41（工況3，錨固深度為14m），邊坡穩定性從欠穩定逐步變為穩定狀態。這說明抗滑樁設置位置和錨固深度是影響邊坡安全穩定的因素，同時也證明抗滑樁設置是有效的，抗滑樁的設置改變了原有土體的受力狀態，加強了滑動土體與滑床之間的相互作用，實現了抗滑的目的。

橫向對比分析，隨著抗滑樁錨固深度的增加，邊坡的穩定性會隨之提升。邊坡穩定系數增長幅值最大的區段為抗滑樁錨固深度從6m增加至8m時的工況。由圖3可知，抗滑樁穩定系數增長呈曲線變化，穩定系數增長率隨著錨固深度的增加逐漸減小。導致這種結果的原因是抗滑樁作為一種被動樁，如前文所述抗滑機理，抗滑樁錨固深度的增加對邊坡穩定性的增長具有一定局限性，錨固深度達到一定限值后，后續區段的錨固深度對邊坡穩定性影響不大，僅可作為抗滑樁邊坡的一種安全儲備。抗滑樁分別設置在不同位置，但都集中設置在邊坡中下部位，這些部位均是邊坡潛在滑動面出現塑性區變化最大的區域。

縱向對比分析，抗滑樁的設置位置不同：工況1中抗滑樁埋設于最大塑性區下方，工況2中抗滑樁埋設于最大塑性區中，工況3中抗滑樁埋設于最大塑性區上方。邊坡的穩定性呈現不同的變化，其中工況1這種設置方案的邊坡穩定系數值最小，工況3的邊坡穩定系數值最大，也是邊坡最穩定的工況。這說明抗滑樁的埋設位置應充分考慮最大塑性區的位置，埋設于最大塑性區下方的工況（工況1）對邊坡安全穩定提升不如埋設于最大塑性區中或上方位置，埋設于最大塑性區中上部的抗滑樁能有效地限制土體的塑性形變，改變土體受力情況，有效減少土體的位移，提高邊坡穩定性。同時也說明，抗滑樁埋設于最大塑性區上部區域，對邊坡穩定性提高最有利。

2.邊坡位移分析

各工況邊坡在施加抗滑樁后的水平位移云圖類似，以工況2、錨固深度10m為例，此時的邊坡穩定系數為1.32，邊坡安全穩定系數大于1.3，處于穩定狀態，如圖4所示。

圖4 邊坡水平位移云圖

由圖4可知，施加前，邊坡水平位移最大值在坡腳處；施加后，邊坡水平位移最大值集中在樁頂部區域，邊坡的水平位移最大值為8.71cm。這說明，抗滑樁—土體—滑床三者相互耦合作用，減小滑體下滑趨勢。

分析施加抗滑樁前后邊坡豎直方向位移情況后，其計算結果顯示，施加抗滑樁前后，邊坡的豎向位移變化不大，僅在數值上有微小變化，邊坡的最大數值位移值為2.89cm。這樣的結果說明抗滑樁對于邊坡豎向位移的限制作用有限。

3.抗滑樁受力分析

抗滑樁作為一種支護結構不僅要保證有效作用于滑動土體，還要能承受土體滑動荷載，有一定的強度和剛度要求，因此分析抗滑樁受力情況很有必要。

圖5 樁身剪力圖

分析各工況下樁身剪力，選擇具有代表性工況，如圖5所示。圖例中1-10表示工況1，錨固深度為10m，其他圖例以此類推。各工況下抗滑樁所受到剪力變化趨勢一致，自上而下剪力圖整體分布情況是逐漸增大。樁身所受剪力值在距離樁頂13m～14m處出現最大值，此處所受的剪力發生反向突變。還可得出，在所有工況中，工況2-10（工況2，錨固深度為10m）的剪力值最小，此時邊坡穩定系數為1.32。

圖6 樁身彎矩圖

分析各工況下樁身彎矩變化情況，選擇具有代表性的工況，如圖6所示，圖例同上。抗滑樁彎矩值自上而下呈S形變化，彎矩值在樁身13m～14m處突變反向，這與前述剪力值突變位置對應，這說明在抗滑樁的設計中，樁身13m～15m設計范圍內應加強設計。彎矩值變化最小的工況為工況2-10。

綜上所述，抗滑樁最薄弱部位位于距樁頂13m～14m中下處，而邊坡潛在滑動面在位于樁頂以下10m處，抗滑樁危險截面與邊坡潛在滑動面并不在同一位置。根據計算結果，抗滑樁設計應從實際出發，選擇最經濟合理的方案，抗滑樁在保證邊坡穩定性的前提下，樁身長度越小經濟性越好、工期越短。在本文研究中，工況2-10邊坡穩定系數為1.32，樁身所受剪力和彎矩在所有工況中最小。

三、結語

本文基于Midas/GTS分析研究邊坡的穩定性，主要分析了邊坡支護中抗滑樁錨固深度和設置位置的9種工況。在邊坡工程中，抗滑樁實施對邊坡穩定性提高是有效的，同時抗滑樁錨固深度和設置位置會在一定程度上影響邊坡穩定性。抗滑樁錨固深度的增加，有利于提高邊坡穩定性，但對邊坡穩定性的提升具有一定局限性，這主要與抗滑樁作用機理有關。抗滑樁的最佳設置位置應與邊坡的最大塑性區結合考慮。抗滑樁應設置在邊坡最大塑性區中上部，這樣才能充分發揮抗滑樁的抗滑性能。抗滑樁錨固深度增加有利于減小樁身剪力值和彎矩值，抗滑樁合理設置位置也有利于減小樁身彎矩值和剪力值。綜上所述，考慮樁身強度和邊坡穩定性，選擇經濟合理的方案2-10（工況2，錨固深度為10m）為本文推薦方案。