公路高边坡抗滑桩优化设计研究

周 浪，何钟千

(1.九江市公路发展中心庐山分中心，江西 九江 332900；2.九江市柴桑区交通运输局，江西 九江 332100)

1 抗滑桩优化方案设计

在实地勘察过后，选取某高边坡出现有较大裂缝且坡度较大，发生边坡失稳的可能性很大，所以对该高边坡进行治理，本试验采取在边坡底部边沿加固16根由C30钢筋混凝土组成的抗滑桩作为治理方案，在“桩-土”系统中进行模拟，相关实验模拟参数见表1。

表1 “桩—土”相关参数表

2 抗滑桩的影响参数优化分析

2.1 桩位优化分析

该边坡的潜在滑面处于中风化岩层和全风化岩层的不整合接触面上，垂直方向上边坡临空面和潜在的滑动面的最大距离约18.5 m，现在要在该边坡选四个桩位，分别用①表示在跛脚位置的桩，②表示在二级边坡上部位置的桩，③表示在四级边坡上部位置的桩，④表示坡顶位置的桩，进行ABAQUS模拟试验，不同桩位的计算结果见表2所示。

由表2分析可知，加固后边坡的水平位移和最大垂直位移都变小了，主要原因是加固在坡顶、四级边坡上部、二级边坡上部、坡脚这四个位置的抗滑桩起作用了，其中当桩位处于坡脚(①号位)和坡顶(④号位)时，滑动面几乎没有发生移动，也就是说明这两个位置的抗滑桩没有起到保护效果；当桩位处于四级边坡上部(③号位)时，边坡位移减小量最大，此时桩对边坡的加固作用最明显，支护效果最好。这四个位置桩位对应的支护效果从大到小分别为：四级边坡上部(③号位)>二级边坡上部(②)>坡脚(①号位)=坡顶(④号位)。

表2 “桩—土”评价指标计算值

图1 Fs随桩位的变化曲线

由图1可知，从稳定系数(Fs)角度分析，从坡脚(①号位)到坡顶(④号位)对应的Fs值从1.215→1.260→1.310→1.112变化，所以桩位处于四级边坡上部(③号位)为最佳桩位。

2.2 桩长优化分析

结合2.1分析得出的结果，选择四级边坡上部(③号位)的基础上设置了七组不同的桩长进行优化分别为：31 m、32 m、33 m、34 m、35 m、36 m、37 m，其他桩的参数不变，通过采用ABAQUS对不同桩长下对应的桩位移、稳定系数Fs、边坡的位移等，通过数据计算分析ABAQUS的计算结果见表3、图2所示。

表3 “桩—土”评价指标计算值

结合表3可知，桩长的减小，反而会导致边坡的最大水平和竖直位移增加，即说明增加桩长能提高边坡的抗滑性，间接可以说明最优的桩长是34 m。

图2 稳定系数随桩长的变化曲线

由图2可以看出，从稳定系数()角度分析，和桩长存在正相关关系，当桩长达到35 m时，FS值趋于稳定，由此可知，桩长36 m是个拐点，且桩长在31～35 m区间边坡的稳定性会随着桩长的增加而增加；但是其变化的长度对提高加固效果并不明显，因此可以判断最佳桩长为36 m。

结合位移和桩长的变化关系分析，判断最佳桩长为34 m，有稳定系数和桩长的变化关系可知最佳桩长为36 m，综上所述，从工程的安全性和经济性考虑，桩长35 m为最优桩。

2.3 桩间距优化分析

由2.1和2.2这两节分析可知，该边坡最佳桩长为34 m，最佳位置处于四级边坡上部(③号位)。现将在最佳桩长和桩位的情况下对桩间距进行ABAQUS试验模拟分析，设置五组桩间距分别为2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，其他桩的因素不变。将不同桩间距下的稳定系数、桩位移、边坡位移等进行比较分析，进而得出最佳的桩间距。最终模拟试验结果见表4、图3所示。

表4 “桩—土”评价指标计算值

结合表4分析可知，随着桩间距的增加边坡的U1、和U2也跟着增加，也就是说明抗滑桩的加固效果会随着桩间距的增加而减弱，由此可初步判断，最优的桩间距为4 m。

图3 稳定系数随桩间距的变化曲线

由图3可以看出，桩间距从4～8 m时对应的安全系数减少量变大，即随着桩间距的增大，安全系数Fs在减少，当8 m之后，随着桩间距的变化安全系数Fs值变化不明显，趋于稳定。所以，可以认为最佳的桩间距为4 m。

2.4 桩横截面优化分析分析

从2.1、2.2、2.3这三个章节得到抗滑桩的最佳位置，最佳桩长和最佳桩间距，以此为前提，采用方桩对桩的横截面面积进行试验分析，设置五组方桩规格分别为：1.0 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m、2.5 m×2.5 m、3.5 m×3.5 m、4.5 m×4.5 m，然后按照单一变量的试验原则，采用ABAQUS软件分析得出不同桩横截面长度对应的稳定系数、桩位移、边坡位移等，通过数据比价分析选出最佳的桩横截面规格。最终通过ABAQUS模拟得出的结果见表5和图4,图5所示。

表5 “桩-土”评价指标计算值

从表5可以看出，当桩截面从1.0 m×1.0 m增加到4.5 m×4.5 m的过程中，边坡的U1、和U2随着桩截面面积的增大而逐渐减小，说明桩的横截面面积增加能提高边坡的稳定性。

图4 桩位移随桩截面边长的变化曲线

从图4可以看出，抗滑桩的U2整个过程都变化很小，而U1的值却随着桩横截面面积的增大而减小，抗滑桩的U1值变化的拐点对应桩的横截面是大于2.5 m×2.5 m时，所以初步认为最优桩的横截面面积为2.5 m×2.5 m的正方形桩。

图5 稳定系数随桩面积的变化曲线

由图5可以看出，桩截面面积的增大引起稳定系数相对应的增加，进而可认为抗滑桩截面积增大，可以提高加固效果。当桩截面为2.5 m×2.5 m和3.5 m×3.5 m时，均能满足边坡的稳定性要求，结合工程的经济性和边坡的位移，最终判断最佳的桩截面为2.5 m×2.5 m。

3 结 论

主要为研究公路高边坡抗滑桩的优化设计，采用有限元分析软件ABAQUS并结合相关理论知识对抗滑桩的影响参数及位移的变化规律进行模拟分析，提出最优的抗滑桩设计方案，研究结果表明：桩位、桩长、桩间距、桩横截面等因素都会对抗滑桩方案产生明显的影响。