重慶機場專用快速路某匝道抗滑樁工程效果的有限元后評價

摘要：文章對重慶機場專用快速路某匝道K0+020段路塹邊坡抗滑樁采用MIDAS GTS有限元軟件進行分析，將滑坡與抗滑結(jié)構(gòu)相互作用作為整體，研究了邊坡水平位移、塑性區(qū)、樁體水平位移、彎矩與剪力，并比較了不同位置抗滑樁的加固效果與樁身內(nèi)力。結(jié)果表明，現(xiàn)有抗滑樁具有良好的穩(wěn)定邊坡作用。

關鍵詞：抗滑樁；有限元分析；工程效果后評價；滑坡特征；道路工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U412 文章編號：1009-2374（2017）06-0001-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.001

1 概述

抗滑樁治理滑坡在國內(nèi)最早應用于1954年寶成線史家壩4號隧道，其出口左側(cè)由于灰?guī)r邊坡導致的順層坍塌，采用鋼筋混凝土榫治理，但是此時僅考慮了抗剪作用。1965年，川黔線采用了沉井及打入式管樁，錨固深度按材料力學方法確定。之后抗滑樁在鐵路、公路、廠礦等土木工程滑坡治理中得到了廣泛應用，鐵二院等單位深入研究了抗滑樁的設計及計算理論，其成果已被選入《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)物設計規(guī)則》（TBJ 25-90）。

現(xiàn)有的抗滑樁設計方法主要有壓力法、位移法與有限元法。壓力法以彈性地基梁為力學模型，計算抗滑樁的內(nèi)力及位移。位移法假設土體的側(cè)向位移完全施加于樁上，采用地基反力法分析樁-土相互作用，計算抗滑樁的內(nèi)力及位移。相較于上述兩種方法，有限元法能夠靠考慮到樁-土的協(xié)調(diào)作用，并可以模擬復雜滑坡，因此有限元法更符合實際工程情況。本文針對重慶機場專用快速路某匝道K0+000～K0+048段右側(cè)第二級邊坡設立的抗滑樁，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研，考慮樁-土相互作用，對邊坡整體穩(wěn)定分析、抗滑樁樁體位移、樁身彎矩、剪力進行分析，對其治理效果做出評價。

2 滑坡特征及治理工程概況

2.1 滑坡地區(qū)地貌及地質(zhì)條件

該匝道位于一回填區(qū)域，總體坡角為3°～5°，上覆土層主要為雜填土，局部段分布有素填土、卵石土，厚度為0.7～6.2m，下伏基巖主要為砂質(zhì)泥巖。對土質(zhì)邊坡部分，由于本段匝道右側(cè)具備放坡條件，對其按照1∶1.75的坡率進行放坡處理；對于巖質(zhì)邊坡部分，其走向264°～300°，傾向174°～210°，邊坡基巖以砂質(zhì)泥巖為主，裂隙與邊坡的組合關系見圖1。本邊坡為切向坡，J2裂隙為外傾結(jié)構(gòu)面，若直立切坡，則J2裂隙同邊坡傾向一致且臨空（傾角84°），本邊坡可能發(fā)生裂隙切割體沿外傾的J2裂隙滑塌。邊坡巖體類型為Ⅲ類，巖體等效內(nèi)摩擦角55°，破裂角60.5°。

2.2 工程治理措施

K0+000～K0+048段右側(cè)第二級邊坡，長48m，距離道路中心線24.59～34.87m設置9根錨固樁，樁長9.0～10.0m，截面尺寸為1.25m×1.50m（樁長邊方向垂直線路），樁間距6m，樁身采用C35砼澆筑。

3 計算模型建立

選取K0+020段的橫斷面的抗滑樁為計算對象。設計樁長為10m。采用平面應變按1∶1的實體比例建立平面幾何圖形；坡角、滑面位置、抗滑樁依據(jù)滑坡工程地質(zhì)勘察和設計資料得到，主要針對最危險的中層滑動面來評價加固效果。一級邊坡坡度為1∶1，二、三級邊坡均為1∶1.75。

3.1 模型假設

本文在研究過程中采用如下假定：（1）平面應變假定。假定巖土體為水平方向無限伸展，各層之間相互獨立；（2）巖土土體均質(zhì)，為各向同性體，土體直接覆蓋于基巖之上；（3）巖土體為非線性材料，滿足Mohr-Coulomb準則；（4）抗滑樁為均質(zhì)線彈性材料；（5）下滑力由抗滑樁及樁前土體抗力承擔。

3.2 材料參數(shù)與模型建立

材料參數(shù)詳見表1，邊坡截面見圖2。

對圖2橫斷面建模，采用實體單元模擬巖土體，梁單元模擬抗滑樁。Midas GTS建立模型如圖3所示：

4 計算結(jié)果分析

4.1 邊坡穩(wěn)定性分析

采用強度折減法對未支護邊坡進行分析，在僅考慮重力的條件下，采用強度折減法通過Midas GTS分析，其安全系數(shù)僅有1.236，邊坡塑性區(qū)與X方向位移如圖4和圖5所示：

從等效塑性應變圖中可以看到明顯的圓弧形滑動面，并且該滑動面已經(jīng)與坡頂貫通。同時從塑性應變圖看到滑動面基本與巖土分界線重合，這與實際情況是相符的。在X方向位移云圖中，X方向位移最大集中于二級邊坡處，坐標范圍為382.769（X）～426.038（X）。

4.2 抗滑樁邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)K0+020橫斷面設計圖紙，在距離道路中線27.23m處設立單排抗滑樁，即抗滑樁位于一級邊坡中部位置，樁長10m，樁身截面為矩形（1.5m×2.5m）。采用強度折減法，利用Midas GTS計算，設立抗滑樁后該邊坡安全系數(shù)提升為1.403。邊坡塑性區(qū)與X方向位移如圖6和圖7所示：

從圖6看到設立抗滑樁后，整體滑動面相對于抗滑樁向后移動，滑動面滑出點上移至二級邊坡坡頂處附近，滑出點位置無明顯變化。圖7中塑性區(qū)從抗滑樁位置斷開，并且土體塑性區(qū)范圍相對于未布置抗滑樁時（圖4）縮小了。因此，設立了抗滑樁后該段邊坡穩(wěn)定性得到了顯著加強，符合多級路塹邊坡安全系數(shù)大于1.3的設計要求。

4.3 抗滑樁樁體內(nèi)力變形分析

樁體位移如圖8所示，可以看到樁頂位移最大為5.381mm。當X>4m時，樁體水平位移變化速率明顯變快；而X<4m時，樁體水平位移變化速率減慢。這是由于X=4m時恰好是巖層與土層分界線，樁體位于基巖下時，由于基巖的嵌固作用，導致樁體位移水平位移增速減緩。

圖9為樁身彎矩分布圖，圖中彎矩受拉側(cè)為正。彎矩最大處位于滑動面以下2m處左右為547.841kN·m，樁體兩端彎矩均為0。

圖10為樁身剪力分布圖，剪力最大處位于滑動面以下2m左右為-212.83kN，樁體頂端剪力為零，末端剪力為40kN。

根據(jù)樁身的受力與變形情況，通過結(jié)構(gòu)計算軟件校核樁身配筋，其配筋量是滿足規(guī)范的。

4.4 抗滑樁位置調(diào)整

陳樂求等認為抗滑樁設置的位置不同對邊坡穩(wěn)定有很大影響，隨著抗滑樁距坡腳距離的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。根據(jù)董必昌等的研究，在邊坡塑性應變最大處設置抗滑樁能夠有效改變邊坡塑性區(qū)分布，提高邊坡安全系數(shù)。在此基礎上，將原重慶機場專用快速路某匝道設置的抗滑樁位置進行調(diào)整，移至未設置抗滑樁邊坡塑性應變最大處。邊坡整體安全系數(shù)增大為1.541。邊坡水平位移與等效塑性應變云圖見圖11、圖12。

圖11中可以看到樁后塑性區(qū)范圍比抗滑樁位置調(diào)整前的塑性區(qū)明顯減小，并且塑性區(qū)已有了斷開趨勢，但是樁前土已經(jīng)開始出現(xiàn)塑性變形。圖12中樁后土產(chǎn)生水平位移的土體相較于圖7中的范圍有了減小。抗滑樁位置調(diào)整前后的邊坡水平位移與等效塑性應變值對比見表2：

從表2中可以看到，抗滑樁位置移至等效塑性應變最大處后，邊坡安全系數(shù)變大，同時邊坡水平位移最大值也減小了，但是塑性應變最大值略有增加。總體來說，調(diào)整位置后的抗滑樁對增強了邊坡整體穩(wěn)定，這與董必昌等的研究是一致的。

調(diào)整位置后的抗滑樁樁體內(nèi)力及變形見圖13、圖14、圖15。對比未調(diào)整前的抗滑樁，樁體最大水平位移、最大彎矩與最大剪力均有上升，且最大彎矩與最大剪力位置均發(fā)生了變化，這是由于巖土分界面的位置相對于樁體向下移動了。

從上表可以看出，調(diào)整樁體后水平位移、彎矩與剪力是抗滑樁未調(diào)整前的兩倍，需要相應增加樁體本身的強度來平衡增大的外荷載。雖然邊坡的安全系數(shù)從1.403增加到了1.541，但是對樁體自身強度要求提高了，相對于增加的0.1的安全系數(shù)，隨之帶來的可能是施工難度的提高與造價的提升，因此原設計的抗滑樁位置從安全、施工及經(jīng)濟考慮是合理的。

因此對于抗滑樁位置的選擇，不能單一地以邊坡安全系數(shù)為指標，應該綜合多方面因素考慮，在保證安全的同時兼顧施工可行性與經(jīng)濟性，選擇最優(yōu)方案。

5 結(jié)語

（1）本文通過有限元分析了重慶機場專用快速路某匝道K0+020段路塹邊坡的穩(wěn)定性，同時對抗滑樁的加固效果進行評價，現(xiàn)有抗滑樁是具有良好加固與抗滑效果的；（2）將抗滑樁位置移動到塑性應變最大處后，雖然提高了邊坡安全系數(shù)，但是樁體本身將承受更大外力，給施工增加了一定難度并且經(jīng)濟性也不高?？紤]到現(xiàn)有抗滑樁的安全系數(shù)已經(jīng)滿足要求，因此抗滑樁并無上移必要。

參考文獻

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作者簡介：游泳（1987-），男，四川簡陽人，重慶市交通規(guī)劃勘測設計院工程師，研究方向：巖土。

（責任編輯：黃銀芳）