基于Midas/GTS的抗滑樁錨固位置和深度分析

鄭齊銀

（山西交科巖土工程有限公司，山西 太原 030012）

我國國土遼闊，有三分之二的面積為山地，復(fù)雜地形地貌造就了很多自然滑坡。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，各大交通要塞打通，隨之而來的是大量邊坡需要治理，特別是高邊坡?？够瑯蹲鳛橐环N邊坡加固措施，在工程中被廣泛應(yīng)用。然而工程中大多以類比和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，抗滑樁理論研究相對較少，本文將結(jié)合某高邊坡工程實(shí)例，分析研究抗滑樁的承載特性。

一、工程概況

本文依托的某省高速公路工程高邊坡工段，地勢呈南北向，南高北低，地勢險(xiǎn)峻，坡體最大高差達(dá)到200m，線位走向形成多處滑坡危險(xiǎn)點(diǎn)，工程難度高。該工程的高邊坡位于樁號k6+600～k6+750段。地勘報(bào)告顯示，該區(qū)段地層自上而下分別為填土、風(fēng)化土和泥巖。此次高邊坡的模擬計(jì)算選取樁號為k6+670的最危險(xiǎn)截面，如圖1所示。其中土體平均厚度為12m，風(fēng)化土平均厚度為14m，泥巖的平均厚度為18m。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，現(xiàn)狀土體經(jīng)過風(fēng)化、崩塌，局部已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，急需治理。根據(jù)工程類似經(jīng)驗(yàn)，擬定實(shí)施邊坡的削坡減載，同時(shí)加以抗滑樁支護(hù)。每級邊坡坡率為1∶1.25，坡高為8m，坡間設(shè)置2m寬馬道。

圖1 k6+670斷面

二、數(shù)值模擬分析

（一）模型的建立

以研究抗滑樁錨固深度和位置影響邊坡穩(wěn)定性的規(guī)律為目的建立模型?；谝酝＝?jīng)驗(yàn)，模型長度設(shè)置為165m，高設(shè)置為70m。根據(jù)地勘斷面圖中的土層分界面，分別模擬填土、風(fēng)化土和泥巖。為確保計(jì)算精度和速度，將其網(wǎng)格劃分為1m、2m、3m。模型模擬中各參數(shù)和本構(gòu)模型選擇如表1所示。

表1 模型參數(shù)表

強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中被廣泛應(yīng)用。在數(shù)值模擬中，采用Midas/GTS中強(qiáng)度折減法分析削坡后邊坡的穩(wěn)定性，確認(rèn)削坡后邊坡潛在滑動(dòng)面的位置如圖2所示。計(jì)算結(jié)果顯示，邊坡潛在滑動(dòng)面位于素土和風(fēng)化土巖層交界面位置，此時(shí)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.16，未達(dá)到國家規(guī)范要求的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)值（1.3），因此需采取有效的邊坡支護(hù)措施，提高邊坡安全穩(wěn)定性。根據(jù)邊坡潛在滑動(dòng)面的位置，擬定在邊坡中下部布設(shè)抗滑樁支護(hù)。擬定抗滑樁的布設(shè)位置為圖1工況1～工況3的位置，抗滑樁的截面尺寸均為1.5m×2m，抗滑樁錨固深度為潛在滑動(dòng)面以下6m、10m、14m的位置，共計(jì)9種工況。

圖2 邊坡有效塑性區(qū)云圖

（二）計(jì)算結(jié)果分析

1.邊坡穩(wěn)定性分析

通過計(jì)算9種工況的邊坡穩(wěn)定性得到的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)，如圖3所示。

圖3 邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

由圖3可知，在抗滑樁錨固深度和設(shè)置位置變化過程中，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)也隨之發(fā)生變化，其中最小值為1.2（工況1，錨固深度6m），最大值為1.41（工況3，錨固深度為14m），邊坡穩(wěn)定性從欠穩(wěn)定逐步變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。這說明抗滑樁設(shè)置位置和錨固深度是影響邊坡安全穩(wěn)定的因素，同時(shí)也證明抗滑樁設(shè)置是有效的，抗滑樁的設(shè)置改變了原有土體的受力狀態(tài)，加強(qiáng)了滑動(dòng)土體與滑床之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了抗滑的目的。

橫向?qū)Ρ确治?，隨著抗滑樁錨固深度的增加，邊坡的穩(wěn)定性會隨之提升。邊坡穩(wěn)定系數(shù)增長幅值最大的區(qū)段為抗滑樁錨固深度從6m增加至8m時(shí)的工況。由圖3可知，抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)增長呈曲線變化，穩(wěn)定系數(shù)增長率隨著錨固深度的增加逐漸減小。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是抗滑樁作為一種被動(dòng)樁，如前文所述抗滑機(jī)理，抗滑樁錨固深度的增加對邊坡穩(wěn)定性的增長具有一定局限性，錨固深度達(dá)到一定限值后，后續(xù)區(qū)段的錨固深度對邊坡穩(wěn)定性影響不大，僅可作為抗滑樁邊坡的一種安全儲備?？够瑯斗謩e設(shè)置在不同位置，但都集中設(shè)置在邊坡中下部位，這些部位均是邊坡潛在滑動(dòng)面出現(xiàn)塑性區(qū)變化最大的區(qū)域。

縱向?qū)Ρ确治?，抗滑樁的設(shè)置位置不同：工況1中抗滑樁埋設(shè)于最大塑性區(qū)下方，工況2中抗滑樁埋設(shè)于最大塑性區(qū)中，工況3中抗滑樁埋設(shè)于最大塑性區(qū)上方。邊坡的穩(wěn)定性呈現(xiàn)不同的變化，其中工況1這種設(shè)置方案的邊坡穩(wěn)定系數(shù)值最小，工況3的邊坡穩(wěn)定系數(shù)值最大，也是邊坡最穩(wěn)定的工況。這說明抗滑樁的埋設(shè)位置應(yīng)充分考慮最大塑性區(qū)的位置，埋設(shè)于最大塑性區(qū)下方的工況（工況1）對邊坡安全穩(wěn)定提升不如埋設(shè)于最大塑性區(qū)中或上方位置，埋設(shè)于最大塑性區(qū)中上部的抗滑樁能有效地限制土體的塑性形變，改變土體受力情況，有效減少土體的位移，提高邊坡穩(wěn)定性。同時(shí)也說明，抗滑樁埋設(shè)于最大塑性區(qū)上部區(qū)域，對邊坡穩(wěn)定性提高最有利。

2.邊坡位移分析

各工況邊坡在施加抗滑樁后的水平位移云圖類似，以工況2、錨固深度10m為例，此時(shí)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.32，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)大于1.3，處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 邊坡水平位移云圖

由圖4可知，施加前，邊坡水平位移最大值在坡腳處；施加后，邊坡水平位移最大值集中在樁頂部區(qū)域，邊坡的水平位移最大值為8.71cm。這說明，抗滑樁—土體—滑床三者相互耦合作用，減小滑體下滑趨勢。

分析施加抗滑樁前后邊坡豎直方向位移情況后，其計(jì)算結(jié)果顯示，施加抗滑樁前后，邊坡的豎向位移變化不大，僅在數(shù)值上有微小變化，邊坡的最大數(shù)值位移值為2.89cm。這樣的結(jié)果說明抗滑樁對于邊坡豎向位移的限制作用有限。

3.抗滑樁受力分析

抗滑樁作為一種支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要保證有效作用于滑動(dòng)土體，還要能承受土體滑動(dòng)荷載，有一定的強(qiáng)度和剛度要求，因此分析抗滑樁受力情況很有必要。

圖5 樁身剪力圖

分析各工況下樁身剪力，選擇具有代表性工況，如圖5所示。圖例中1-10表示工況1，錨固深度為10m，其他圖例以此類推。各工況下抗滑樁所受到剪力變化趨勢一致，自上而下剪力圖整體分布情況是逐漸增大。樁身所受剪力值在距離樁頂13m～14m處出現(xiàn)最大值，此處所受的剪力發(fā)生反向突變。還可得出，在所有工況中，工況2-10（工況2，錨固深度為10m）的剪力值最小，此時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.32。

圖6 樁身彎矩圖

分析各工況下樁身彎矩變化情況，選擇具有代表性的工況，如圖6所示，圖例同上?？够瑯稄澗刂底陨隙鲁蔛形變化，彎矩值在樁身13m～14m處突變反向，這與前述剪力值突變位置對應(yīng)，這說明在抗滑樁的設(shè)計(jì)中，樁身13m～15m設(shè)計(jì)范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。彎矩值變化最小的工況為工況2-10。

綜上所述，抗滑樁最薄弱部位位于距樁頂13m～14m中下處，而邊坡潛在滑動(dòng)面在位于樁頂以下10m處，抗滑樁危險(xiǎn)截面與邊坡潛在滑動(dòng)面并不在同一位置。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，抗滑樁設(shè)計(jì)應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，選擇最經(jīng)濟(jì)合理的方案，抗滑樁在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下，樁身長度越小經(jīng)濟(jì)性越好、工期越短。在本文研究中，工況2-10邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.32，樁身所受剪力和彎矩在所有工況中最小。

三、結(jié)語

本文基于Midas/GTS分析研究邊坡的穩(wěn)定性，主要分析了邊坡支護(hù)中抗滑樁錨固深度和設(shè)置位置的9種工況。在邊坡工程中，抗滑樁實(shí)施對邊坡穩(wěn)定性提高是有效的，同時(shí)抗滑樁錨固深度和設(shè)置位置會在一定程度上影響邊坡穩(wěn)定性。抗滑樁錨固深度的增加，有利于提高邊坡穩(wěn)定性，但對邊坡穩(wěn)定性的提升具有一定局限性，這主要與抗滑樁作用機(jī)理有關(guān)?？够瑯兜淖罴言O(shè)置位置應(yīng)與邊坡的最大塑性區(qū)結(jié)合考慮?？够瑯稇?yīng)設(shè)置在邊坡最大塑性區(qū)中上部，這樣才能充分發(fā)揮抗滑樁的抗滑性能?？够瑯跺^固深度增加有利于減小樁身剪力值和彎矩值，抗滑樁合理設(shè)置位置也有利于減小樁身彎矩值和剪力值。綜上所述，考慮樁身強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性，選擇經(jīng)濟(jì)合理的方案2-10（工況2，錨固深度為10m）為本文推薦方案。