抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定可靠度分析

關(guān)永平 張學飛 鄒大建

【摘 要】邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程中一個十分重要的問題，由于巖土參數(shù)的隨機性，邊坡穩(wěn)定的可靠度分析日益受到重視。同時由于工程條件和經(jīng)費的限制，規(guī)范要求只對一級邊坡進行測試，因此巖土工程的樣本數(shù)量不足又成為限制可靠度理論應(yīng)用的關(guān)鍵因素。為此本文在某水庫邊坡斷層實測資料的基礎(chǔ)上，利用類似工程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和統(tǒng)計理論反演確定出斷層統(tǒng)計參數(shù)，同時利用反分析確定出抗滑樁的抗力統(tǒng)計參數(shù)，并對該邊坡成功地進行了可靠度分析。

【關(guān)鍵詞】抗滑樁；加固邊坡；穩(wěn)定可靠度

前言：

本文結(jié)合強度折減技術(shù)和極限分析上限理論，基于失穩(wěn)狀態(tài)耗能最小原理對邊坡的抗滑樁預加固計算方法進行了研究。通過采用非線性內(nèi)點優(yōu)化方法進行加固參數(shù)優(yōu)化分析，揭示抗滑樁加固措施條件下的邊坡局部穩(wěn)定性特性，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建多抗滑樁預加固邊坡的上限破壞模式、獲得相應(yīng)的能耗分析方法。

一.工程簡介

某抽水蓄能電站以原水庫為下池，上池采用開挖和筑壩方式興建。池頂高程568m，池頂寬度10m，正常蓄水位566m，死水位531m，工作水深35m，池坡坡比1∶1.5，總庫容445×104m3。上池于1991年4月施工，經(jīng)運用發(fā)現(xiàn)西坡多處存在蠕變，有滑坡跡象。本文將對電站上池西坡外坡1+178斷面（圖1）進行邊坡穩(wěn)定可靠度分析?？煽慷确治鲋懈麟S機變量，以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計。

二.滑動面隨機參數(shù)的確定

選取滑動面上天然狀態(tài)快剪強度指標（峰值強度）的黏聚力c、摩擦角進行統(tǒng)計，試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計值如表1。由表1中可見，斷層F207有試驗數(shù)據(jù)4組，斷層F212有試驗數(shù)據(jù)1組，無法統(tǒng)計，工程中認為F207和F212有很好的相關(guān)性，利用F207斷層4組試驗的信息作為補充信息進行統(tǒng)計F212。

按現(xiàn)場實況反演推求的參數(shù)說服力最強，但反演的特點是僅給出一個關(guān)鍵信息，關(guān)于計算模型的準確性、空間隨機場影響、現(xiàn)場與試驗室差別等全部混在一起考慮。有4種處理方式[4-5]可以提高分析的可信程度。以穩(wěn)定邊坡右截尾為例，原分布為正態(tài)N（0μ，0σ），反演值為R：①認為抗力取截尾分布，用積分確定Rμ及Rσ；②取為正態(tài)分布，N（Rμ，Rσ）；③僅調(diào)整均值，取為N（Rμ，0σ）；④特別強調(diào)反演值R，取為N（R，0σ）。很明顯，4種做法，越來越趨于保守。因此本文取第④種，偏于安全。

但是由于一條信息不可能同時修正多個參數(shù)?？辜魪姸?，c的統(tǒng)計量有4個參數(shù)，如何取舍值得研究。即使取上述第④種方法，也有二個參數(shù)。工程一般對巖石推薦優(yōu)定斜率法，因為對巖體的認為比較集中，可以根據(jù)巖石分類由地質(zhì)條件確定。分析中取為定值，對c值進行單獨統(tǒng)計。在分析的過程中也曾取截距為定值，對進行統(tǒng)計，但此方法明顯表現(xiàn)為c，為正相關(guān)，與經(jīng)驗相左[6]。優(yōu)定斜率后，對任一組試件的值不是直接利用最小二乘的擬合，因為擬合殘差將有附加值，即22∑ε′≥∑ε，因此，在計算c的統(tǒng)計值時，在2cσ中補充計入（22∑ε′∑ε）的影響。取優(yōu)定摩擦角為。試驗每組正壓力為pi，共m級，平均值為p。推算每組黏結(jié)力c′值與該組原，c值的關(guān)系為

三.穩(wěn)定性分析

3.1強度折減技術(shù)

目前在邊坡穩(wěn)定問題的分析中安全系數(shù)的定義有多種形式，被公認和應(yīng)用較多的有3種形式：

（1）基于強度儲備的安全系數(shù)；

（2）超載儲備安全系數(shù)；

（3）下滑力超載儲備安全系數(shù)，其中強度折減法最早由Bishop于1955年提出。Zienkiewicz把抗剪強度折減系數(shù)定義為：在外荷載保持不變的情況下邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力之比。1996年，Duncan指出Fs即為導致穩(wěn)定狀態(tài)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的剪切強度折減系數(shù)。經(jīng)過折減的剪切強度參數(shù)Cf

式中：Fs為定義為剪切強度折減系數(shù)。強度折減的基本原理即將土體參數(shù)（c，）值同時除以一個折減系數(shù)Fs，得到一組新的（c，）值，然后作為新的材料參數(shù)進行試算，當邊坡處于臨界狀態(tài)時，也即sF再稍大一些，邊坡將發(fā)生破壞，對應(yīng)的sF被稱為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，此時巖土體發(fā)生剪切破壞。

3.2樁側(cè)有效土壓力上限解答

為使邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)達到某個安全系數(shù)值Fs，將原始抗剪強度指標c、按式（7）折減，根據(jù)上限法能耗計算過程，可以確定抗滑樁的樁側(cè)有效抗力計算式：

根據(jù)極限分析上限定理，式中即為使邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)達到某個安全系數(shù)值Fs，需要抗滑樁提供樁側(cè)有效抗力的上限表達式。為使樁側(cè)有效抗力取值最優(yōu)，需要進行優(yōu)化運算，本文采用內(nèi)點法對式中進行了優(yōu)化計算。

四.算例對比與參數(shù)分析

4.1算例對比計算

為驗證方法和所編優(yōu)化迭代程序的正確性，采用已有的典型算例進行對比計算，對比計算結(jié)果列于表1、2。從表1算例對比可知，本文計算結(jié)果與已有解答非常接近，但本文考慮了有效土壓力彎矩效應(yīng)，計算所得的抗滑樁樁側(cè)有效壓力要略大于Ausilio和年延凱的計算結(jié)果。對于工程實際而言，采用本文方法獲得的計算結(jié)果進行設(shè)計偏于保守，更有利于土工構(gòu)筑物的安全。

由表2的兩個算例對比可知，考慮了樁側(cè)有效土壓力彎矩效應(yīng)計算所得的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)要略小于已有研究成果，是同類方法解答的較優(yōu)結(jié)果。

4.2參數(shù)優(yōu)化分析

現(xiàn)有研究已表明：抗滑樁的設(shè)置位置對巖土邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。為使抗滑樁加固效果達到最優(yōu)，可基于失穩(wěn)狀態(tài)耗能最小原理確定抗滑樁設(shè)置的最優(yōu)位置。其基本原理：在給定樁身設(shè)計參數(shù)情況下抗滑樁最佳設(shè)置位置應(yīng)使邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)達到最大，或者在給定設(shè)計安全系數(shù)條件下，應(yīng)使抗滑樁承受最小的有效抗力。

年延凱重點采用第2個基本原理分析了抗滑樁最佳設(shè)置位置，但在分析過程中僅考慮了抗滑樁加固邊坡的整體穩(wěn)定性，沒有分析邊坡有可能出現(xiàn)的局部失穩(wěn)問題。假定邊坡高度H=13.7m，邊坡坡頂角α=0°，邊坡坡趾角β=30°，重度γ=19.63kN/m3，黏聚力c=23.94kPa，內(nèi)摩擦角=10°。采用單根抗滑樁對該邊坡進行預加固，并假定抗滑樁樁側(cè)有效壓力EF=500kN/m。以下分別考慮和不考慮可能出現(xiàn)的局部穩(wěn)定性時，抗滑樁設(shè)置位置不同對邊坡安全系數(shù)、臨界滑裂面位置和臨界滑裂面以上樁長EF的影響。

采用單根抗滑樁加固且只考慮邊坡整體穩(wěn)定性時，抗滑樁設(shè)置位置改變對邊坡安全系數(shù)和臨界滑裂面均有顯著影響。隨著抗滑樁設(shè)置由坡趾角位置移向坡頂位置，邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)顯著下降；隨著抗滑樁設(shè)置由坡趾角位置移向坡頂角位置，臨界滑裂面首先逐漸變淺、當接近坡頂位置時又有逐漸加深的趨勢；相應(yīng)的，潛在滑動體范圍呈現(xiàn)與臨界滑裂面對應(yīng)的變化趨勢。

對采用抗滑樁預加固措施而言，潛在滑裂面位置將直接決定抗滑樁設(shè)置長度。不考慮可能出現(xiàn)的局部穩(wěn)定性時，抗滑樁設(shè)置位置不同（xp改變）對邊坡臨界滑裂面以上樁長EF的影響。采用單根抗滑樁加固且只考慮整體穩(wěn)定性時，抗滑樁設(shè)置位置改變對臨界滑裂面以上樁長EF有顯著影響，進而影響抗滑樁的整樁設(shè)置長度，最終將直接反映在工程造價上來。

結(jié)束語：

（1）結(jié)合強度折減技術(shù)和極限分析上限理論，基于失穩(wěn)狀態(tài)耗能最小原理建立了單、多抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性分析的能量分析解析算式。（2）與已有研究成果的對比分析表明本文考慮集中有效土壓力彎矩效應(yīng)的解答是同類方法解答的較優(yōu)結(jié)果。（3）邊坡采用單根抗滑樁加固，且只考慮整體穩(wěn)定性時抗滑樁設(shè)置位置改變對邊坡安全系數(shù)、臨界滑裂面位置和臨界滑裂面以上樁長均有顯著影響。隨著抗滑樁設(shè)置位置由坡趾角位置移向坡頂角位置，邊坡安全系數(shù)顯著下降。隨著抗滑樁設(shè)置位置由坡趾角位置移向坡頂角位置，臨界滑裂面位置首先逐漸變淺、潛在滑動體范圍逐漸變小，當設(shè)置位置接近一定坡頂范圍內(nèi)后又有逐漸加深的趨勢?？够瑯对O(shè)置位置改變對臨界滑裂面以上樁長有顯著影響，進而影響抗滑樁的整樁設(shè)置長度。單抗滑樁加固邊坡的最優(yōu)設(shè)置位置應(yīng)位于邊坡中下部區(qū)域。

參考文獻：

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