抗滑桩加固露天边坡优化分析

　

(山东科技大学土木工程与建筑学院　山东　青岛　266590)

前言

抗滑桩作为边坡加固的一种有效措施，与其他抗滑工程相比，具有支挡效果好、施工期短、施工灵活、抗滑能力强等特点，现已广泛应用于边坡加固工程中。极限平衡法只是对桩体受力形式及滑动面进行假设，不能有效反映桩-土之间耦合效应和边坡滑移特征[1,2]；数值分析法基于有限元法或有限差分法给边坡的数值模拟提供了新手段[3]。

Won等[4]利用极限平衡法和FLAC3D从边坡的稳定性系数和抗滑桩的力学响应两方面对比分析，研究边坡的稳定性；刘怡林[5]等利用FLAC3D分析了抗滑桩加固边坡稳定性的优化问题；杨光华等[6]基于FLAC3D数值模拟，研究抗滑桩加固位置与安全系数的关系，王聪聪等[7]对抗滑桩加固边坡效果进一步优化分析；戴自航等[8]分析了实际工程边坡的抗滑桩最优设计方案。目前在抗滑桩加固边坡的优化模拟中，以优化桩长为主，常以边坡稳定性系数作为唯一的优化指标，忽略了桩-土之间的耦合效应，弹性模量对边坡稳定性及抗滑桩自身内力、变位特点研究较少，常以工程经验确定桩体弹性模量，对其取值不规范。

利用考虑桩-土之间耦合效应的强度折减法，在FLAC3D中用桩单元模拟抗滑桩，研究其布设位置、桩长以及弹性模量对边坡稳定性系数的影响，分析不同工况下的桩身内力、桩身变位特点，为类似抗滑桩加固高陡岩质边坡中边坡工程设计提供参考。

一、抗滑桩加固作用的数值实现

在FLAC3D数值模拟中以桩单元模拟抗滑桩可以获得较多的计算信息，固采用桩单元模拟抗滑桩。桩-土之间的相互作用通过法向和切向的耦合弹簧实现，耦合弹簧是非线性弹簧-滑块连接体，能够实现桩单元与实体单元网格间力与弯矩的传递。

在桩节点和围岩网格之间发生相对位移产生剪力计算公式如下：

式中：FS表示剪切连接弹簧产生的剪切力；L表示单元长度；css表示剪切连接弹簧的剪切刚度；usi、usm分别为桩的轴向位移和岩土介质面的轴向位移。抗滑桩的法向连接弹簧的法向力的计算公式如下：

式中：Fn表示法向耦合弹簧产生的法向力；L表示有效单元长度；cns表示法向连接弹簧的法向刚度；uni、unm分别表示垂直于桩轴向方向桩的位移和垂直于桩轴向方向介质面的位移。

二、抗滑桩加固边坡数值模拟

按平面应变建立边坡计算模型，岩土体采用Mohr-Coulomb准则，边坡稳定性系数采用强度折减法计算，计算是否收敛作为边坡的失稳判据。利用自编的FISH语言将滑移面数据取出，将滑动面上各点的位移量化。

该边坡岩层倾角较大，倾角为60°，为高陡顺层岩质边坡。根据边坡动态检测数据结果显示黄铁绢英化花岗质碎裂岩(SγJH)与黄铁绢英岩化花岗岩(γJH)交界面的位移较大，为潜在滑移面。抗滑桩采用直径D=2m，考虑潜在滑移面距坡面距离，初设桩长20m，从6m变化到48m，步长为6m，L为边坡水平投影长度为48m，因此LX/L=1/8～1.0。

表1　计算参数

三、抗滑桩优化分析

(一)抗滑桩加固位置对边坡稳定性的影响

抗滑桩加固位置对边皮稳定性的影响如图3所示，从图3可以看出，当桩长较小时，抗滑桩加固位置对边坡的稳定性较小当设桩设在临近坡脚处时，抗滑桩对边坡支护效果不明显。随着LX/L逐渐增大，稳定性系数逐渐增大，支护效果越明显。当桩长达到30m时，最优设桩位置不再是边坡中部，即L5位置，支护效果最佳。

(二)抗滑桩桩长对边坡稳定性的影响

由图3可知，在L1、L2位置，桩长的变化对边坡的稳定性影响较小，边坡的稳定性系数均小于1，边坡不稳定。当超过L2位置后，抗滑桩越长，边坡的稳定系数越高，但当桩长达到一定长度后，抗滑桩长度增加对边坡的支护效果不再起明显作用。说明抗滑桩存在一定的有效的嵌固深度，根据工程特例，受设桩位置影响，在L5位置有最大的嵌固深度。

1-L1；2-L2；3-L3；4-L4；5-L5；6-L6；7-L7；8-L8

(三)抗滑桩弹性模量对边坡稳定性的影响

在L5位置，桩长达到32m时支护效果最佳，仅调整抗滑桩的弹性模量ES进行分析。如图3所示，抗滑桩的弹性模量增大，边坡的稳定性系数增加不明显，变化率仅为1.15%，因此，抗滑桩弹性模量在20GPa～40GP之间变化时，可认为对边坡稳定性系数无影响。

图4　抗滑桩弹性模量对边坡稳定系数的影响

(四)抗滑桩弹性模量对桩身内力和变位的影响

不同弹性模量工况下的桩身内力和桩身挠度变化曲线如图5、图6、图7所示。可以看出，桩身弯矩、剪力随桩身弹性模量增大而增大，桩深约-18m处弯矩取得最大值。对比分析计算结果，桩身的内力变化十分有限，弯矩相对误差仅有18.6%，桩顶挠度仅相差3.5mm，随着桩深度的增加，不同桩身弹性模量的挠度值基本趋于一致。

综合边坡稳定性系数、桩身内力及抗滑桩变位分析，提高抗滑桩弹性模量在一定程度上能够减小桩体变位，但是变化幅度十分有限，对边坡的稳定性系数增加不明显。在施工过程中，提高抗滑桩的弹性模量势必使用更高强度的混凝土或受力钢筋，这都将提高抗滑桩成本，所以，在抗滑桩设计时，根据工程需要，合理确定抗滑桩弹性模量。

弹性模量/GPa：1-20；2-25；　3-30；4-35；5-40

弹性模量/GPa：1-20；2-25；　3-30；4-35；5-40

弹性模量/GPa：1-20；2-25；3-30；4-35；5-40

四、结论

以工程特例为研究对象，采用强度折减法为研究手段，研究抗滑桩其布设位置、桩长以及弹性模量对边坡稳定性系数的影响，得出以下结论：

(1)当桩设在坡脚处时及L1、L2位置时，桩长的变化对边坡的稳定性影响较小。当桩长较小时，设桩位置的变化对边坡稳定性系数影响也很小，桩长较大时(大于24m)，设桩位置对边坡稳定性系数的影响显著增强。当桩长达32m时，设桩位置在L5位置时边坡的稳定性系数取得最优值。

(2)抗滑桩加固边坡的边坡工程中，存在一定的嵌固深度，嵌固深度受工程地质条件的影响，不同的设桩位置，嵌固深度不同。当桩长达到嵌固深度，能够有效的阻断潜在滑移面，当桩长继续增加时，对边坡的稳定性影响较小。

(3)提高抗滑桩弹性模量不能提高边坡稳定性系数，只是在一定程度上能够减小桩体变位，弯矩相对误差仅有18.6%，桩顶挠度仅相差3.5mm。因此，在抗滑桩加固边坡工程的设计中，根据工程需要，合理确定抗滑桩弹性模量。

【参考文献】

[1]年廷凯,徐海洋,刘红帅.抗滑桩加固边坡三维数值分析中的几个问题[J].岩土力学,2012,08:2521-2526+2535.

[2]蒋鑫,刘晋南,黄明星,邱延峻.抗滑桩加固斜坡软弱地基路堤的数值模拟[J].岩土力学,2012,04:1261-1267

[3]陈乐求,杨恒山,林杭.抗滑桩加固边坡稳定性及影响因素的有限元分析[J].中南大学学报(自然科学版),2011,02:490-494.

[4]Won J,You K,Jeong S,et al.Coupled effects in stability analysis of pile-slope systems[J].Computers and Geotechnics,2005,4(32):304-315.

[5]刘怡林,宁兆轲,姜瑞清,黄茂松.抗滑桩加固含软弱夹层边坡三维弹塑性数值分析[J].岩土工程学报,2013,S1:216-221.

[6]杨光华,张有祥,张玉成,汤佳茗.基于边坡变形场的抗滑桩最优加固位置探讨[J].岩土工程学报,2011,S1:8-13.

[7]王聪聪,李江腾,廖峻,郝瑞卿,刘博.抗滑桩加固边坡稳定性分析及其优化[J].中南大学学报(自然科学版),2015,01:231-237.

[8]邹盛堂,戴自航.抗滑桩加固土坡效果及合理桩位的三维有限元分析[J].福州大学学报(自然科学版),2012,05:664-669.