抗滑樁幾何參數對含多層泥化夾層邊坡支護效果的影響分析

王志強，龍鄖鎧

（1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500）

抗滑樁具有優秀的阻滑能力，已經廣泛應用于含有夾層的邊坡支護中[1-3]，目前對抗滑樁加固含弱層邊坡效果的研究已經有了大量且成熟的研究成果。云南某發電廠高邊坡在開挖支護施工期間發生了多次失穩，造成了巨大的經濟損失本文基于有限元軟件plaxis 探究了抗滑樁幾何參數（樁長、截面形狀和直徑）對該高邊坡的支護效果，以期為該工程和類似項目提供一定的指導意義。

1 數值模型及計算方案

1.1 數值模型

該高邊坡附近的地層巖性簡單，以白云巖為主，但白云巖碎裂化程度高且含有多個泥化夾層，泥化夾層該工程邊坡是否穩定運行的控制性因素之一。

選擇一個較為典型的剖面如圖1 所示，巖土體材料參數見表1，抗滑樁參數見表2。模型底邊界為固定約束，前后及兩側邊界為法向約束，地表面為自由邊界。巖土體均視為理想彈塑性材料，屈服準則都采用傳統的Mohr-Coulomb 屈服準則。有限元數值計算采用巖土工程專業軟件PLAXIS 執行。

表1 巖土體的物理力學參數

表2 抗滑樁的物理力學參數

圖1 縱剖面地質圖

圖2 抗滑樁示意圖

1.2 計算方案

（1）樁長的影響。抗滑樁直徑D 為1.6 m，樁間距Sp 為3 m，三維數值模型厚度為6 m 分別設樁長為Lp=18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m、32 m、34 m、35 m、40 m，11 種深度。

（2）樁橫截面形狀的影響。考慮圓形、正方形、長方形截面，橫截面積相等，圓的直徑D 為1.6 m，正方形邊長為1.417 m，長方形的長寬比a/b=3/2，a=1.737 m，b=1.158 m。樁長Lp 取35 m，Sp 取3 m。

（3）樁直徑的影響。設置圓形截面樁進行計算，樁長Lp 取35 m，樁直徑D=0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m，Sp=2D，模型厚度為2Sp。

2 結果與討論

2.1 抗滑樁樁長的影響

抗滑樁處泥化夾層最大埋深為20.1 m，抗滑樁樁長18 m、20 m 時，邊坡穩定安全系數分別為1.331、1.338，當樁長增加到22 m 時，安全系數驟然增加到1.393，從22 m 到28 m，安全系數緩慢增加到1.433 之后不再變化（如圖3 所示）。以上描述表明抗滑樁樁長增加，安全系數先增大，達到或超過臨界長度后安全系數趨于恒定，樁長的阻滑功效存在極限。隨樁長增加，先后發生樁前坡體滑動，抗滑樁與坡體整體下滑，只有當抗滑樁長度達到一定數值，抗滑樁才能積極發揮阻滑功效。當到達或超過臨界長度后安全系數趨于恒定的臨界長度是28 m。

圖3 邊坡穩定安全系數與抗滑樁樁長的關系

2.2 抗滑樁橫截面形狀的影響

分別設置等面積的圓形、正方形和長方形橫截面的抗滑樁加固邊坡，邊坡穩定安全系數逐漸增大（如表3所示）。采用公式和計算圓形、正方形和長方形的慣性矩：

表3 不同截面抗滑樁邊坡穩定安全系數、抗滑樁內力和樁頭位移

它們的慣性矩分別為0.322 m4、0.336 m4、0.506 m4，表明長方形截面樁繞X 軸的抗彎剛度比圓形樁大。因此，長方形截面抗滑樁加固邊坡的安全系數比正方形、圓形截面抗滑樁加固邊坡大。

綜上所述，在相同坡位分別設置等面積圓形、正方形和長方形抗滑樁加固邊坡，邊坡安全系數逐漸增大，抗滑樁內力和樁頭位移逐漸減小。對于含多層泥化夾層的順層碎裂巖質高邊坡，其一般沿巖層傾向滑動，不考慮施工作業，僅從邊坡穩定和抗滑樁內力來評價，長方形截面抗滑樁要優于正方形、圓形截面樁。

2.3 抗滑樁直徑的影響

抗滑樁直徑D 從0.9 m 增加到1.6 m，距徑比Sp/D=2 保持不變，抗滑樁慣性矩Ix 從0.0322 m4線性增加到0.3217 m4，混凝土用量從12.37 m3/m 呈凹拋物線增加到21.99 m3/m（圖4（a）），混凝土用量指沿X 軸方向每延米混凝土的消耗量，可按下式計算：

圖4 Sp/D=2 時抗滑樁相關參數與樁徑的關系

式中：vc 為混凝土用量，D 為樁徑，Lp 為樁長，Sp 為樁間距。

數值計算結果顯示，若Sp/D=2 保持不變，樁徑增大，模型Ⅲ的邊坡穩定安全系數從1.379 近乎線性增加到了1.414，但是安全系數的增幅是很小的（圖4（b））。戴自航和徐祥[4]、年廷凱等[5]研究表明，若樁間距Sp保持不變，樁徑D增大，安全系數越大。年廷凱等[5]認為，若距徑比Sp/D不變時，在不考慮彈性模量變化的情況下，樁徑在0.6～2.0 m 之內取值所得出的邊坡安全系數基本一致，這個結論與本文類似。

通過以上分析表明：（1）若Sp/D 不變，擬通過增加樁徑來提高邊坡穩定性是不可取的。（2）抗滑樁加固邊坡工程，根據預期的安全系數，樁間距與樁徑有多種可供選擇方案，如小直徑小間距、中直徑中間距、大直徑大間距。

綜合考慮，若Sp/D 不變，樁徑D 增大，抗滑樁的慣性矩增大，邊坡安全系數有微小增大，但是混凝土用量快速增加，導致造價增加，僅從這方面考慮選擇小直徑抗滑樁更合適，但是小直徑抗滑樁，樁間距小，樁數量多，施工不便，造價也會增加。大直徑抗滑樁雖然混凝土用量多，但是施工快。對于本工程，樁徑取1.4 m較為合適。

3 結論

（1）樁長增加，安全系數先增大后趨于恒定，有一個臨界長度。抗滑樁短，可能發生樁前坡體滑動和抗滑樁—坡體整體滑移，達到一定長度后才能積極發揮抗滑功效；

（2）長方形截面抗滑樁的加固效應要優于正方形、圓形截面樁；

（3）若距徑比不變，樁徑D 增大，抗滑樁的慣性矩增大，邊坡安全系數有微小增大，但是混凝土用量快速增加，導致造價增加。