基于Midas/GTS的抗滑樁支護參數優化研究

羊金賢

(海南路橋工程有限公司 三亞市 572000)

0 引言

抗滑樁作為邊坡處理的有效手段，特別是限制滑坡土體的位移，發揮了良好的效果。郭曜欣[1]對抗滑樁埋設位置進行了探討，主要采用有限元分析軟件，模擬了抗滑樁不同的埋設部位，得出抗滑樁埋設于中部最有利于邊坡的穩定。但對于抗滑樁埋設部位還存在一定的爭議，戴自航等[2]通過對工程實例的分析，認為抗滑樁的位置應在邊坡下部。任志丹等[3]對邊坡支護參數進行了研究。抗滑樁的錨固深度和截面尺寸的擬定對邊坡的整個安全穩定、工程施工進度、工程費用都有著重要的作用。目前，大多數設計單位對抗滑樁的設計主要是以單樁計算為主，在單樁設計中各項參數滿足工程要求后，再進行排樁或組合計算，最終得到設計方案。這種設計過多地考慮單樁本身的承載特性，在一個點上進行設計，對于抗滑樁的排列形式的組合研究不夠深入，相當于多出了一部分安全儲備，設計偏于保守且無法真實反映抗滑樁的實際受力狀態。以Midas/GTS為平臺，對抗滑樁的錨固深度和截面尺寸進行模擬分析，以求得到最合理的抗滑樁參數。

1 工程概況

工程項目位于海拔2300m的某高速公路K12+610～K12+750段，該路段整體地勢西高東低，路段位于山谷之間，高差大于300m，坡體趨于垂直陡峭，形成多處滑坡危險點，對工程的進度造成了很大的影響。根據地勘報告，工段地層主要有三層：

(1)上第三系中新統泥巖：深紅色泥巖、泥質粉砂巖，厚層狀，主要成分為黏土和蒙脫石。

(2)第四系上更新統卵礫石層：灰色卵礫石，橢圓狀。填充物為細、粉土等，夾雜著角礫、漂石等，抗壓強度高，層厚2～18m。

(3)第四系全新統堆積層：褐色粉土、黏土，塑性良好，上部夾雜植物根系，下部為碎、卵石，層厚3～22m。

本次數值模擬計算選取路段的最不利截面K12+580斷面，如圖 1所示。邊坡的天然地面線較陡，上層土體為厚度13m的雜填土，中間層為厚度14m的風化土，下部土體為厚度18m的泥巖。邊坡在自然狀態下，頂部卵礫石經過風化剝蝕形成崩塌、落石，局部已經出現失穩的表征，必須采用工程措施進行治理。根據工程的具體情況，為保證邊坡的穩定性，初步擬定的方案為，邊坡上部進行削坡減載，下部進行填筑，邊坡坡率為1∶1.25，每級邊坡的坡高均為8m，并在坡級之間設2m寬的馬道，在邊坡中下部設置抗滑樁進行支護。

圖1 邊坡斷面圖(單位：m)

2 Midas/GTS數值模擬分析

2.1 模型的建立

Midas有限元數值分析在土木工程領域得到廣泛運用，如迪拜塔、北京奧運會場館、韓國世界杯場館等。對于邊坡方面的綜合分析，主要采用極限平衡法和強度折減法。強度折減法的本質與極限平衡相同，在計算過程中通過對土體的抗剪強度參數進行多次折減、迭代，減小土體的抗剪強度，直至最后土體失穩，此時的折減系數就是邊坡安全穩定系數。本次的模型計算分析，選用強度折減法(SRM)進行計算分析。

本次邊坡的模擬分析共有3個土層，如圖 1所示，分別為雜填土、風化土、泥巖。表層土體和風化土為滑動土體，與邊坡穩定性的相關性較大，因此在建立模型的時候應該對其網格的劃分有所區別，擬定對雜填土、風化土、泥巖的網格密度劃分分別為1m、2m和3m。建模后，對邊坡的穩定性進行運算，找出邊坡潛在滑動面的大致位置，以便抗滑樁的設計，如圖 2所示。從圖中可以看出，削坡后邊坡的潛在滑動面主要位于雜填土和風化土的巖層分界面上，此時的邊坡安全穩定系數為1.12，未達到規范要求的邊坡安全穩定系數1.3，需對邊坡采取加固措施。項目擬對邊坡采用抗滑樁進行治理，提高邊坡的穩定性。根據削坡后其潛在滑動面計算結果，擬定在邊坡的中下部實施抗滑樁。

圖2 邊坡有效塑性區云圖

本次數值模擬計算擬對抗滑樁的錨固段長度和截面尺寸進行模擬分析，根據相關的工程經驗，抗滑樁的錨固深度取值為8～14m，每種工況間隔2m；截面尺寸分為三種，編號①、②、③，分別為1.2m×1.5m、1.5m×2m、2m×2.5m，共計12種工況進行計算。

在模型計算中，主要對邊坡的穩定性和抗滑樁的受力狀態進行分析。建模中土層的本構模型均為摩爾—庫倫本構模型，抗滑樁則為彈性本構模型，根據地質勘察報告，本次模型計算中具體參數如表 1所示。

表1 模型計算材料參數表

2.2 計算結果分析

2.2.1邊坡安全穩定系數分析

根據Midas/GTS的計算結果，其中12種工況下的邊坡安全穩定系數如表2所示。

表2 邊坡安全穩定系數表

表2中的計算結果中的邊坡安全穩定系數除個別工況外，均符合規范大于1.3的要求。從計算結果可知，邊坡的安全穩定系數受到抗滑樁錨固深度和截面尺寸的影響，將表中數據進行整理繪制成圖，如圖3所示。

圖3 邊坡安全穩定系數

通過對表2和圖3的結果分析，可以得到以下結果：

在截面尺寸和錨固深度的變化過程中，邊坡的安全穩定系數在相應的變化，其中最小值為1.28，最大值為1.41。邊坡未施加抗滑樁時的邊坡安全穩定系數為1.12，邊坡的穩定性從欠穩定狀態到達了穩定狀態。這說明抗滑樁的實施是有效的，這也符合抗滑樁的支護機理，抗滑樁的主要作用機理體現在抗滑樁、滑動土體、滑床之間的耦合共同作用，其關鍵是在抗滑樁的樁與樁之間形成有效的土拱，將滑動土體通過抗滑樁與滑床相互作用，樁間的應力能夠很好地傳遞至樁上，從而達到抗滑的目的。

橫向對比，抗滑樁錨固長度的增加，會提升邊坡安全穩定系數值，提高邊坡的安全穩定性，增長幅度最大的區段是錨固長度由8m增加到10m時。但從圖像曲線的線型得知，抗滑樁長度的增長與邊坡安全穩定系數增長是非線性的，邊坡安全穩定系數的增長率在逐漸降低，最后隨抗滑樁錨固長度增加而趨于水平，這種結果說明抗滑樁錨固長度的增長對邊坡安全穩定系數的影響有一定的局限性，存在一定的閾值。合理地增加抗滑樁的錨固長度對提高邊坡的穩定性是有利的，這也符合抗滑樁的作用機理。

縱向對比，抗滑樁截面尺寸的變化是影響邊坡穩定的因素。截面①的尺寸最小，截面③的尺寸最大。整體而言，在同一錨固長度時，邊坡的安全穩定系數隨截面的增大而增大，增大的最大幅值區間在截面①至截面②時。而截面②變化到截面③時，邊坡的安全穩定系數變化較小。這說明抗滑樁截面的變化對邊坡安全穩定系數的影響有一定的局限性，不能完全依靠截面尺寸的增大來提高邊坡的穩定性，存在一定的閾值。合理地增加抗滑樁的截面尺寸對提高邊坡的穩定性是有利的。

2.2.2邊坡位移分析

邊坡安全穩定系數可以反應邊坡的穩定性，但長期的邊坡穩定，還需要結合邊坡的位移情況進行綜合判定。

各個工況下的水平位移云圖都類似，選取錨固深度為10m，截面②工況的水平位移云圖進行分析說明，如圖 4所示。從云圖的結果可以得出，施加抗滑樁支護后，邊坡的水平位移云圖與自然削坡后的云圖不同，施加抗滑樁后，邊坡的水平位移最大區域集中在抗滑樁頂部的臨近區域，水平位移最大值為8.65cm。這說明，抗滑樁、滑動土體、滑床三者之間相互作用，改變了原有土體的滑動狀態，抗滑樁在受到滑動土體的作用下，對滑動土體進行了抵抗，阻止了土體的滑動，達到可抗滑的目的。

圖4 水平方向位移云圖

對于邊坡豎直方向的位移情況，經過對各個工況計算結果的分析，施加抗滑樁前后，豎向位移的分布情況發生了變化。施工前，豎向位移整個沿著坡面變化，最大的豎向位移位置出現在坡腳處的最后一級邊坡中部。施工后，邊坡的豎向位移進行了重新分布，變化最大的區域集中在抗滑樁頂部邊緣，最大值為2.8cm。這樣的分布結果與水平方向的位移結果類似，這也驗證了抗滑樁在維持邊坡穩定性的有效性。

2.2.3抗滑樁受力分析

在抗滑樁的設計中，除了要保證整體結構的安全性(邊坡穩定)，抗滑樁還應滿足自身的穩定性、強度、剛度要求。在受到外力作用時，所產生的應力、位移和變形都能達到設計要求。因此，對抗滑樁的受力分析很有必要。

提取Midas/GTS對抗滑樁剪力和彎矩的計算結果，各個工況的圖示情況類似，取其中代表性的工況進行繪制。如圖 5、圖 6所示，圖例中8-2表示錨固長度為8m，截面為②(1.5m×2m)的工況，其余圖例名稱情況類似。

從圖5可知，抗滑樁的整個剪力分布情況是沿著樁頂往下，剪力的大小在逐漸增大。在抗滑樁的下半部分，剪力出現反向的情況，這與滑動土體的滑動面有關，抗滑樁的頂部距潛在滑動面的距離約為10m，而剪力反向變化截面在距離樁頂16m位置處，說明此處應為抗滑樁在強度設計中的重點位置。同時，隨著抗滑樁錨固長度的增加和截面尺寸的增加，剪力值有減小的趨勢。

圖5 抗滑樁剪力圖

從圖6可以得知，抗滑樁的彎矩值隨錨固長度和截面尺寸的增長而減小。抗滑樁的彎矩值沿著樁頂至樁底逐漸增大，彎矩值在距樁頂16m處出現峰值，與剪力圖相對應。

圖6 抗滑樁彎矩圖

從抗滑樁的剪力和彎矩的分析結果中得知，抗滑樁的最薄弱截面位于距離樁頂16m處的截面，而非潛在滑動面(距離樁頂約10m)，這與抗滑樁的受力機理有關，本次的抗滑樁為全埋式的抗滑樁，其受力情況如圖7所示，樁的受力一般為豎直方向，但邊坡中的抗滑樁與橋梁中的樁基礎受力不同，主要受到來自水平方向的滑動推力作用，在樁與土體的共同作用后，抗滑樁最薄弱面受樁位移的影響，所以抗滑樁的最薄弱截面往往在潛在滑動面下方，因此在抗滑樁的設計中要充分考慮潛在滑動面部分的設計方案。

圖7 抗滑樁受力機理簡圖

綜上所述，在分析了邊坡穩定性和抗滑樁的受力情況，從工程實際出發，主要考慮經濟性因素，在滿足規范要求的前提下，盡量減小抗滑樁的截面尺寸和樁長，得出錨固深度為10m，截面尺寸為1.5m×2m的方案為推薦方案，此時的邊坡安全穩定系數為1.37。

3 結語

基于Midas/GTS對抗滑樁支護的邊坡穩定性進行了分析。主要通過分析抗滑樁的錨固長度和截面尺寸對邊坡穩定性的影響，得到了相應的規律，主要結論如下：

(1)抗滑樁的實施有利于提高邊坡穩定性，同時抗滑樁的錨固長度和截面尺寸是影響邊坡穩定性的因素。

(2)隨著抗滑樁錨固長度的增加，邊坡穩定性也相應增加，但錨固長度的增加對邊坡穩定性的貢獻有一定的局限性。

(3)隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡穩定性也相應增加，但截面尺寸對邊坡穩定性的貢獻有一定的局限性。

(4)抗滑樁錨固長度和截面尺寸的增加有利于減小抗滑樁所受的剪力和彎矩值，抗滑樁的最薄弱截面位于潛在滑動面之下。

考慮工程經濟性，綜合分析所得，本項目的最合理抗滑樁設計方案為錨固深度為10m，截面尺寸為1.5m×2m的方案，為工程實際提供理論參考。