两种结合抗滑键的自平衡挡墙对滑坡的防治效果研究

他国山 刘长青 康 凯 张宇翔

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

抗滑键结合挡墙的形式，又称为自平衡挡墙[1]，因其综合利用了抗滑键的抗弯能力与挡墙的抗剪性能，被广泛地应用在边坡治理中。挡墙可以有效控制表层土体滑动，利用自身结构将墙后土体产生的水平推力传递到墙基础，但是对于一些深层滑动的边坡，挡墙往往治标不治本，而抗滑键可以提供深层阻力，防止边坡发生深层滑动，对于既有深层滑动又有浅层滑动的边坡，即可采用自平衡挡墙对边坡进行治理。自平衡挡墙不但可以减小桩身弯矩，降低配筋率、锚固深度和工程造价，而且可以缩短工期，增加边坡支护高度[2]。

目前，自平衡挡墙对滑坡的治理方式已有广泛研究，刘 杰应用极限分析上限法，定量分析了桩间距、悬臂段高度、嵌固段深度、填土内摩擦角、填土黏聚力对抗滑桩稳定性的影响[3]；郑俊杰等提出了桩基挡墙极限状态的确定方法，认为随路面荷载不断增大，桩基挡墙结构首先出现抗滑桩剪切破坏，结构承载力极限状态由抗滑桩抗剪承载力确定[4]；李新卫等利用有限差分法对抗滑桩的空间位置进行优化，认为应该将抗滑桩布置在滑体的前部，除了发挥抗滑桩的抗滑作用，还能够使挡墙起到一定的支护作用[5]；姜孟分析了微型桩挡墙组合结构加固时边坡的水平位移、竖向位移以及微型桩的桩身变形与位移情况[6]；宋 曦完善了自平衡挡墙加预应力锚索的计算方法，并着重对嵌固面以下直桩、斜桩嵌固和桩前土体稳定性问题进行了理论推导[7]；李钧民认为防止挡墙下地基发生滑动，除了设置抗滑桩外，还可采用散体桩(碎石桩 、渣土桩等)、水泥土桩、CFG 桩等复合地基和高压喷射注浆、灌浆等方法以提高其强度[8]；钟国辉对自平衡挡墙的变形、高填方区双排桩叠加扶壁式挡墙边坡支护技术进行了研究，该技术既保证了挡墙的支护高度，又确保其自身稳定，支护较为可靠[9]；代凌辉等研究挡墙与抗滑桩相结合的边坡复式断面，结果表明，此类边坡的潜在滑弧位置会随着抗滑桩的桩长增加而上移[10]；钟玉斌研究了自平衡挡墙的力学性能与设计方法，认为新型的自平衡挡墙效果明显优于传统抗滑桩[11]。

根据上述学者的研究，说明挡墙结合抗滑键的自平衡挡墙防治措施是切实可行的，可以有效地阻止滑坡发生。目前的研究主要集中在挡墙结合不同形式抗滑键的防治效果，对于不同形式挡墙结合抗滑键对滑坡的防治效果研究还比较少。本文结合北京延庆区某索道边坡治理中应用的抗滑键+挡墙的形式，对直立式挡墙+抗滑键与仰斜式挡墙+抗滑键的防治效果进行比较分析。

1 工程背景

某索道基座临近高陡边坡，该边坡岩体节理发育，较破碎，被列为高危地质灾害点。为保证索道顺利运行，需对该边坡进行专项防治。

此边坡地质灾害类型为滑坡。坡宽约22 m，坡高约9～12 m，坡度约50°，索道沿线未见地表水或地下水出露，场地地层划分为人工堆积层、第四纪崩坡积层及白垩纪侵入岩。

（1）人工堆积层：碎石素填土①1层，钻探揭露的碎石粒径D一般=6～9 cm，D大=14 cm，D长=23 cm，充填粉土、砂土。

（2）第四纪崩坡积层：碎石、块石⑤层，杂色，密实，稍湿-湿，钻探揭露的D一般=8～10 cm，D大=16 cm，D长=20 cm，棱角形，含中砂、粗砂约20 %。场地内的碎石土分布广泛，局部含粒径大于1.0 m 的块石，对土层开挖影响较大。

（3）白垩纪侵入岩（K1Xd）：花岗岩⑥层，钻探揭示整体为中等风化，黄色显粉红，局部灰绿色，细粒结构，块状构造，矿物成分以长石、石英为主，含少量角闪石和黑云母，较坚硬岩-坚硬岩，岩体为裂隙块状，较完整-较破碎，岩芯呈柱状、碎块状，一般柱长15～30 cm，最大柱长120 cm，锤击声脆，不易击碎；花岗岩⑥1层，钻探揭示整体为强风化，局部全风化，黄色显粉红，局部灰绿色，块状构造，矿物成分以长石、石英为主，含少量角闪石和黑云母。岩体呈碎块状、节理裂隙发育，裂隙间充填中砂、粗砂，极破碎-破碎。根据地质调查及周边已有资料，基岩的强风化带厚度一般2 m 左右，并与裂隙发育程度密切相关，多呈碎裂结构。索道基座工程地质纵断面如图1所示。

图1 索道基座工程地质纵断面

本边坡可采用直立式挡墙+抗滑键或仰斜式挡墙+抗滑键的方案进行治理，经过常规的边坡设计计算，两种自平衡挡墙均能满足抗倾覆要求，本文通过ANSYS 建立自平衡挡墙有限元模型，研究自平衡挡墙的应力及位移变化，最终达到优化设计选型的目的。

2 数值建模

为保证模型的可靠收敛，需对实际边坡简化处理：（1）不考虑抗滑桩内部钢筋的分布影响，假定钢筋混凝土桩为均质弹塑性材料；（2）不考虑地下水渗流及地震作用的影响；（3）边坡顶部的石笼挡墙及人工回填的雪道与碎石土共同作为滑体。

2.1 参数选择

材料本构模型的选取是否合适，直接影响分析结果的准确性和合理性。参照边坡土体的材料特性，目前常用的本构模型有Mohr-Coulomb(M-C)模型和Drucker-Prager(D-P)模型[12-13]。本文采用D-P 模型，材料参数根据勘察报告提供的岩石参数及工程常用经验取值，确定了滑体、滑床及抗滑键三种材料参数，见表1。

表1 数值模拟材料参数

2.2 网格划分

由于坡体纵向相对较长，计算模型可以简化为平面应变问题，ANSYS 分析中选用 PLANE42 平面单元[14-15]。为了消除边界效应的影响，数值计算模型整体尺寸需要足够大，最终确定模型几何边界为100 m×43 m，有限元分析网格划分见图2、图3。

图2 直立式挡墙+抗滑键网格图

图3 仰斜式挡墙+抗滑键网格图

建模过程中，左右两侧限制水平方向位移，即UX=0，底部边界设置全约束，UX=UY=0，顶部为自由边界，选择天然工况荷载进行计算。

2.3 模拟计算结果分析

计算完成后，通过后处理提取模型各种应力应变云图，图4是直立式挡墙+抗滑键情况下坡体的塑性区发展云图。

由图4可知，上部的碎石土有可能沿着土岩交界面形成圆弧滑动，但在自平衡挡墙的阻挡下，塑性区停留在桩前，没有继续往下发展，挡墙的抗滑移能力明显，设置的自平衡挡墙是有效的。选择两种支护形式下总应力云图见图5、图6。

图4 直立式挡墙+抗滑键塑性云图

图5 直立式挡墙+抗滑键应力云图

图6 仰斜式挡墙+抗滑键应力云图

由图5和图6可知，两种形式挡墙在上部边坡荷载作用下，均出现明显的压拉应力，受力符合受弯变形特征，尤其是墙后区域明显受压，直立式挡墙+抗滑键时最大压应力为7.51 MPa，仰斜式挡墙+抗滑键时最大压应力为6.11 MPa，但受压区范围有限。图4-图6说明数值分析模型符合实际。

3 自平衡挡墙防治效果分析

3.1 模型计算

考虑到索道正常运行期间，坡顶是一条滑雪用雪道，后期会有额外的荷载增加，包括滑雪需要的人工造雪，以及施工机械的活荷载。为进一步分析两种自平衡挡墙的防治效果，基于以上模型，在边坡顶部增加外荷载，模拟现实情况，荷载施加为线荷载，具体位置如图7所示。

图7 自平衡挡墙坡顶加载图

外荷载从0 开始，依次递增10 kN/m，直到模型不收敛为止，分别对直立式挡墙+抗滑键、仰斜式挡墙+抗滑键的模型进行计算，并依次提取各个荷载作用下自平衡挡墙的位移，当外荷载为0 时，直立式自平衡挡墙最大位移为2.72 mm，仰斜式自平衡挡墙最大位移为2.26 mm。

3.2 对比分析

计算各级荷载作用下自平衡挡墙的应力及位移，整理并绘制图8。

图8中红色线条代表直立式自平衡挡墙计算数据，蓝色线条代表仰斜式自平衡挡墙计算数据，黑色三角为墙顶最大位移，绿色圆点为自平衡挡墙最大拉应力，黄色方块为自平衡挡墙最大压应力，通过对比可知：

图8 自平衡挡墙受外荷载作用时应力及位移图

（1）在外荷载增加至40 kN/m 之前，不管是墙顶位移还是桩身应力，直立式挡墙均大于仰斜式自平衡挡墙，从这个角度来看，仰斜式自平衡挡墙更有优势，可以更好地保持边坡稳定，且自身受力更合理。

（2）随着坡顶荷载的继续增加，超过40 kN/m时，仰斜式挡墙模型计算出现不收敛，挡墙位移急剧增加，说明此时模型已经破坏，而直立式挡墙依旧可以正常计算，直到80 kN/m 之后才出现不收敛的情况，模型发生破坏。

（3）直立式自平衡挡墙在高外荷载作用时依旧可以发挥作用，相对同等高度的仰斜式自平衡挡墙防治效果更好，安全储备更高。

根据以上模拟结果，该边坡治理中，选择了直立式挡墙+抗滑键的自平衡挡墙形式，目前挡墙已正常运行，边坡稳定，治理方案见图9。

图9 索道基座直立式挡墙+抗滑键剖面图

4 结论

本文基于延庆区某边坡治理工程，利用数值模拟分析了两种不同形式挡墙结合抗滑键的防治效果，得出以下结论，对于同一边坡，采用自平衡挡墙支护时，相同桩长及墙高情况下：

（1）当坡顶外加荷载小于40 kN/m 时，仰斜式自平衡挡墙相对于直立式自平衡挡墙的墙顶位移和墙身应力更小，控制边坡稳定更有优势。

（2）当坡顶情况较复杂，如坡顶为道路路肩，外加荷载大于40 kN/m 时，仰斜式自平衡挡墙位移及应力急剧增加导致挡墙失稳，而直立式自平衡挡墙依旧可以保持稳定，有效地起到防护作用，其防护效果更佳，安全性更高。