高邊坡不同工況穩(wěn)定性分析與抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

■孫廷齡

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司道橋三院，福州 350004）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展， 帶來(lái)了數(shù)量龐大的亟待解決的邊坡工程問(wèn)題。 若工程處置不當(dāng)，可能造成滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害， 導(dǎo)致巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?？够瑯妒且环N經(jīng)濟(jì)有效的邊坡治理技術(shù)，大量的工程研究和工程實(shí)踐表明， 抗滑樁加固邊坡具有不易惡化邊坡條件、 施工簡(jiǎn)便、 承載力大等優(yōu)點(diǎn)，因此在過(guò)去幾十年中，被廣泛用于處理滑坡、高邊坡及邊坡出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象時(shí)的強(qiáng)加固設(shè)計(jì)中。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)抗滑樁加固邊坡、滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)實(shí)踐研究[1-3]，研究表明抗滑樁主要通過(guò)增加滑坡抗力來(lái)加固邊坡， 所需的滑坡抗力應(yīng)能使邊坡達(dá)到目標(biāo)安全系數(shù)。

實(shí)際上，抗滑樁的設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科的問(wèn)題，涉及巖土工程、 結(jié)構(gòu)工程和經(jīng)濟(jì)學(xué)等多方面的知識(shí)， 抗滑樁的設(shè)計(jì)應(yīng)作為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題來(lái)進(jìn)行探討，應(yīng)同時(shí)考慮邊坡的穩(wěn)定性、樁的承載力和經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。 因此，本文采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法對(duì)抗滑樁加固高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，分別計(jì)算天然、暴雨2 種不同工況下的穩(wěn)定性， 同時(shí)進(jìn)行抗滑樁的樁位、樁長(zhǎng)參數(shù)的優(yōu)化，以期為今后類似工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

2 高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 工程背景

以某高速公路工程高邊坡為工程背景，選擇樁號(hào)K187+350～K187+480 段進(jìn)行分析。 該段落屬于典型的低山丘陵地貌，坡面植被發(fā)育完整，滑坡發(fā)生在邊坡較為平緩的位置，滑坡上部和下部具有較為陡峭的原始地形。滑坡上部邊坡自然坡度為22°～25°，下部邊坡自然坡度為38°～42°，滑坡位置的自然坡度為8°～12°， 該段落設(shè)計(jì)邊坡坡率為1∶（1.0～1.25）。 滑坡里程樁號(hào)為K187+350～K187+460，地面標(biāo)高在330～365 m， 長(zhǎng)度約為110 m， 寬度約為60 m。 在原坡面進(jìn)行防護(hù)施工過(guò)程中，由于連續(xù)降雨天氣， 早于2011 年5 月7 日已出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，滑坡發(fā)生以后后緣出現(xiàn)了0.5～5 m 的下移， 并出現(xiàn)解體現(xiàn)象。 同時(shí)，坡底上方有多個(gè)墳?zāi)?，其中還包含一座將軍墳（樁號(hào)為K187+447），距路基中線約70 m，且在滑坡過(guò)程將軍亭和將軍墳都出現(xiàn)了破壞。另外，距中線約72 m 處有1 個(gè)電線桿，在進(jìn)行地質(zhì)鉆探過(guò)程中出現(xiàn)裂縫。該裂縫為擠壓破碎帶，地層產(chǎn)狀總體在69°＜50°～60 產(chǎn)。 為了保證滑坡治理具有較高效率，擬采用在邊坡上方進(jìn)行消方減載，中下方使用抗滑樁支擋，并補(bǔ)充邊坡截排水措施的處置方案。

2.2 極限平衡法分析

根據(jù)公路工程的相關(guān)規(guī)范與相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)[4-5]的要求，本文選取天然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)2 種工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，建立極限平衡法邊坡模型如圖1 所示。 各工況物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)如表1 所示，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。 本文選用M-P 法的計(jì)算結(jié)果，可知邊坡在2 種不同工況下，即天然狀態(tài)、暴雨作用下的邊坡安全系數(shù)分別為1.250、0.950，相應(yīng)的邊坡狀態(tài)僅在天然狀態(tài)下為穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨?duì)顟B(tài)下為不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 極限平衡法計(jì)算模型

表1 2 種工況物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

表2 種工況邊坡穩(wěn)定系數(shù)Slide 軟件計(jì)算結(jié)果

2.3 有限元強(qiáng)度折減法分析

利用Phase 軟件建立削坡后的五級(jí)邊坡三維模型，邊坡模型如圖2 所示。 對(duì)模型劃分網(wǎng)格時(shí)，選擇六節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行劃分， 總共劃分出9874 個(gè)單元。 模型左右設(shè)置x 向位移約束，前后設(shè)置z 向位移約束，底面設(shè)置3 個(gè)方向的全約束。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分

（1）天然工況

模型右側(cè)水頭高度為76.0 m， 得出邊坡塑性區(qū)云圖3（a），可以看出邊坡的最大塑性變形區(qū)位于邊坡中部，并未完全貫通。 由圖4（a）可知，最大總位移為2.738 cm。經(jīng)計(jì)算，天然工況時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.25，邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）暴雨工況

模型右側(cè)水頭高度為78.0 m， 得出邊坡塑性區(qū)云圖3（b），可以看出塑性區(qū)已貫通，邊坡極容易發(fā)生破壞。 由圖4（b）可知，邊坡最大位移為11.80 cm。 經(jīng)計(jì)算，暴雨工況時(shí)邊坡的安全系數(shù)為1.03，邊坡處于欠穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 塑性區(qū)云圖

圖4 邊坡總位移云圖

2.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將由Phase 軟件計(jì)算所得有限元結(jié)果與由Slide 軟件計(jì)算所得極限平衡法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表3 所示。從表3 可以清楚的看出，2 種計(jì)算方法所得安全系數(shù)結(jié)果較為接近， 說(shuō)明Phase 模擬結(jié)果是合理的。 經(jīng)過(guò)2 種方法的綜合計(jì)算，判定暴雨工況下的邊坡屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易發(fā)生破壞，亟待實(shí)施加固治理。

表3 2 種工況邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

3 抗滑樁加固邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 樁位優(yōu)化

選取飽水狀態(tài)的巖土體參數(shù)和地下水條件，樁和土采用摩擦接觸，所用相關(guān)參數(shù)見表1。初步取樁的長(zhǎng)度為24.0 m， 樁位選取的4 個(gè)位置分別為：坡腳、二級(jí)邊坡上部、四級(jí)邊坡上部、坡頂，Phase 的模擬計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

對(duì)比圖5（a）～（d）可知，當(dāng)樁位于坡腳和坡頂時(shí)，樁沒(méi)有起到加固的作用；但當(dāng)樁位于二級(jí)邊坡上部、四級(jí)邊坡上部時(shí)，可看出邊坡的塑性變形區(qū)被阻斷，起到了較好的加固作用，其中當(dāng)樁位于四級(jí)邊坡上部時(shí)，抗滑作用最明顯。 與此同時(shí)，從坡腳至坡頂4 個(gè)樁位加固邊坡安全系數(shù)分別為1.215、1.260、1.310、1.112， 在安全性上同樣說(shuō)明當(dāng)樁位于四級(jí)邊坡上部時(shí)，抗滑作用最明顯。 從Fs的角度確定最佳的樁位，抗滑樁布置于四級(jí)邊坡上部時(shí)安全系數(shù)最大，為1.310。

圖5 不同樁位抗滑樁加固邊坡塑性區(qū)云圖

3.2 樁長(zhǎng)優(yōu)化

樁長(zhǎng)取值范圍為20～26 m， 長(zhǎng)度增量梯度為1 m， 以邊坡的位移和穩(wěn)定系數(shù)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)確定最佳樁長(zhǎng)。由Phase 的模擬計(jì)算結(jié)果（圖6）可知，邊坡的最大水平和豎直位移均隨著樁長(zhǎng)的逐漸增加而減小， 其中對(duì)于水平位移的治理效果更為顯著，原因在于抗滑樁治理主要作用于于水平受荷，對(duì)于豎向僅為樁側(cè)摩阻力支護(hù)。 從位移減小的增量上看，相較于20～23 m 范圍內(nèi)水平最大位移隨樁長(zhǎng)增加而急劇減少的情況， 當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)23 m 后水平最大位移減小幅度尤其緩慢，前后對(duì)比明顯，因此初步可判斷最優(yōu)樁長(zhǎng)為23 m。此外，由圖6 亦可以看出，隨著樁長(zhǎng)增加， 邊坡整體安全系數(shù)出現(xiàn)飛速增長(zhǎng)，但當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)25 m 后，安全系數(shù)突然變化，即線段的斜率變小。 由此可知，增加抗滑樁長(zhǎng)可以顯著提高邊坡整體穩(wěn)定性，但是當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)25 m 后，穩(wěn)定性增加效果不顯著。 綜上所述，并不是樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，穩(wěn)定性越好，判斷最佳樁長(zhǎng)為25 m，同時(shí)綜合考慮邊坡加固效果及建設(shè)施工成本，建議最優(yōu)樁長(zhǎng)取24 m。

圖6 不同樁長(zhǎng)下抗滑樁加固邊坡位移及安全系數(shù)比較

4 結(jié)論

本文以某高邊坡抗滑樁治理項(xiàng)目為案例背景，采用極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，主要研究結(jié)論如下：

（1）在2 種不同的常見工況下，即天然狀態(tài)、暴雨作用下， 利用極限平衡方法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.253、0.952，由此安全系數(shù)可判別該高邊坡穩(wěn)定狀態(tài)為穩(wěn)定及不穩(wěn)定。 利用有限元強(qiáng)度折減法所得結(jié)論與極限平衡法結(jié)果符合良好， 但安全系數(shù)在各工況下均比極限平衡所得結(jié)果大， 原因在于有限元計(jì)算原理考慮了流固耦合作用，使得結(jié)果更為準(zhǔn)確；由于該地常受到強(qiáng)降雨的影響，亟需加固治理，選擇抗滑樁進(jìn)行加固治理效果良好。

（2）對(duì)抗滑樁最為重要的2 個(gè)影響因素（樁位及樁長(zhǎng)）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗滑樁加固于邊坡近中部，即本案例邊坡四級(jí)邊坡上部時(shí)，加固作用最為顯著；樁越長(zhǎng)，邊坡位移越小，邊坡穩(wěn)定性越好，但當(dāng)樁長(zhǎng)大于25 m 時(shí)，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)于邊坡位移和穩(wěn)定性提高不大；綜合考慮邊坡加固效果及建設(shè)施工成本，建議最優(yōu)樁長(zhǎng)取24 m。