某路基边坡稳定性分析及支挡设计优化探讨

陈开镇

(广西桂商实业投资有限公司，广西 南宁 530001)

0 引言

市政工程中边坡防护工程的重要性不言而喻，因其一旦出现失稳等安全性问题，将对周边的建筑物和人员造成不可估量的生命财产损失。因此，很有必要对所采用的建设方案开展相关研究和分析，确保方案可行。Midas/GTS软件因具有分析精度高、易于掌握与操作等特点，可克服边坡工程中传统计算方法所存在的诸多问题，时常被应用于边坡稳定性分析。本文以某路堤边坡工程支挡设计方案为依托，选取其中最不利断面，运用Midas/GTS软件模拟方法对设计方案的防护效果进行研究分析，并根据研究和分析结果提出了优化建议。

1 工程概况

地质资料显示，拟建场地位于某市向斜盆地北西扬起端，属于单斜构造；地质断面构成中，基岩为古近系渐～始新统泥岩、粉砂质泥岩，其上为第四系圆砾、粉土及黏性土层。区域及附近未发现有断层构造通过，道路沿线无滑坡等不良地质情况，地质构造相对稳定。拟建场地位于某大桥附近，场地所属地貌特征为低丘地貌，其现状标高在131.267～131.357 m之间。

拟建场地一侧为临江，另一侧为建筑密集的居民居住区。鉴于拟建工程对稳固江堤、保护人民生命财产安全有着重要作用，因而一定要确保拟采用方案的安全、可靠。设计方案最终确定采用桩板式挡土墙作为边坡加固方案(抗滑桩为圆形，直径2.0 m，间距5.0 m，桩长20～27 m不等)，见图1。

图1 边坡支护剖面示意图(单位：cm)

2 边坡稳定性分析及优化建议

针对所采用的建设方案，选取边坡中的最不利断面(桩长为22.0 m，出露桩长为9.1 m)作为研究对象，建立防护后边坡的Midas/GTS二维数值模型，以分析加固后边坡稳定性和桩体的受力情况，进而判定设计方案工程效果。

工程经济性是建设工程中不得不考虑的关键要点。基于上述分析结果，本文针对工程特点及原设计方案，研究了出露桩长一定时，总桩长对边坡防护效果的影响，以分析方案的优化空间。

2.1 地层岩性及岩土参数

勘查区各岩土层分布及特征分述如下：

(1)素填土①(Qml)：呈松散状，以灰色黏性土和砾石、碎石组成，属中等缩性土。

(2)黏土②(Q4al)：青黄、灰黄色，稍湿，硬塑状，韧性中等，干强度高，刀切面稍光滑，无摇震反应，属中等缩性土。

(3)圆砾③(Q4al+pl)：深灰色、灰白色。母岩成份为石英、砂岩，粒径大多为2～50 mm，20 mm以上的含量在17%～98%，呈亚圆形状以黏性土填充，分选性差。属低压缩性土。

本文所需岩土力学参数涉及四个地层和混凝土(抗滑桩)参数，各岩土层力学参数见表1。

表1 各岩土层力学参数表

2.2 防护后的边坡稳定性

边坡稳定性分析采用软件自带的安全系数(SRM)模式，边坡变形量分析采用软件自带的非线性分析模式。数值模拟分析获得结果如图2～5所示。

图2 边坡防护横断面图

图3 边坡二维数值模拟模型图

图4 边坡安全系数图

图5 边坡土体应变云图

经过防治后的边坡稳定安全系数为1.937 5，远大于规范值1.35，因此能够验证此设计方案条件下防护后的边坡为“稳定”状态，见图4。经防治后的边坡土体最大应力位于桩体后方的素填土层与黏土的接触面上，见图5。抗滑桩桩顶位移量为0.21 mm，小于现行规范(《建筑边坡工程技术规范》)要求，见图6；抗滑桩最大剪力位于距桩底4 m处，其值为1 010.69 N，见图7；抗滑桩最大弯矩位于距桩底9 m处(即：抗滑桩剪力值为零的地方)，其值为5 275.44 N·m；桩体所受的剪力及弯矩均较小，见图8。因此，该边坡所采用的防治方案是安全的。

图6 抗滑桩桩顶位移图

图7 抗滑桩剪力图

图8 抗滑桩弯矩图

2.3 总桩长对边坡稳定性的影响

为研究总桩长的变化对边坡防护效果的影响，设定出露桩长一定(9.1 m)时，通过改变桩长，建立对应数值模型，研究边坡稳定安全系数随桩长变化而变化的规律。分析成果见图9～18。

图9 边坡安全系数图(16 m)

图10 边坡安全系数图(17 m)

图11 边坡安全系数图(18 m)

图12 边坡安全系数图(19 m)

图13 边坡安全系数图(20 m)

图14 边坡安全系数图(21 m)

图15 边坡安全系数图(22 m)

图16 边坡安全系数图(23 m)

图17 边坡安全系数图(24 m)

图18 边坡安全系数图(25 m)

根据边坡安全系数值的变化，整理得表2。

表2 边坡安全系数变化表

由图9～18及表2可知，土体物理力学参数及桩体出露桩长(9.1 m)一定时，边坡的稳定安全系数随着总桩长的增大而增大，当总桩长<18.0 m时，边坡稳定安全系数小于《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)中第5.3.2条规定的“永久边坡的一般工况”的边坡稳定安全系数值(1.35)要求；根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)中第5.3.1条规定，认定此时该边坡稳定性状态为“基本稳定”状态；此时若遇上持续降雨天气，边坡土体含水率升高、有效应力减小、自重增加，边坡可能存在欠稳定；而当总桩长>18.0 m时，边坡稳定安全系数大于《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)中第5.3.2条规定的“永久边坡的一般工况”的边坡稳定安全系数值(1.35)，说明此时该边坡为“稳定”状态，满足边坡稳定安全性要求。

2.4 总桩长对桩顶累积位移量的影响

研究总桩长的变化对边坡防护效果的影响，设定出露桩长一定(9.1 m)时，通过改变桩长，建立对应数值模型，研究边坡中抗滑桩的桩顶累积位移量随桩长变化而变化的规律。分析成果见图19～28。

图19 桩顶累积位移量图(16 m)

图20 桩顶累积位移量图(17 m)

图21 桩顶累积位移量图(18 m)

图22 桩顶累积位移量图(19 m)

图23 桩顶累积位移量图(20 m)

图24 桩顶累积位移量图(21 m)

图25 桩顶累积位移量图(22 m)

图26 桩顶累积位移量图(23 m)

图27 桩顶累积位移量图(24 m)

图28 桩顶累积位移量图(25 m)

根据边坡在不同桩长时的桩顶累积位移量的变化，整理得表3和图29。

表3 不同桩长时桩顶累积位移量变化表

由图19～28及表3可知，在总桩长<21.0 m时，桩顶累积位移量随着桩长的减小而呈几何式增大，此时桩顶位移量对桩长的变化比较敏感；而根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)的第8.0.4条中相关规定，该边坡的累积水平位移量的监测报警值界限值为25～30 mm，所以当该边坡的桩长<17.0 m时，由于桩顶位移量过大，抗滑桩已失去对边坡进行支护的意义。

3 桩长优化分析

根据上节数值模拟结果分析可知，在桩长出露长度(9.1 m)不变的情况下，以总桩长和边坡安全系数值为坐标轴，分析两值所构成曲线变化情况，见图29。

图29 边坡安全系数变化示意图

根据研究，该边坡安全系数曲线变化规律满足二项式曲线，对应公式为y=-0.005 8x2+0.360 3x-3.155，相关系数R2=0.998 5，拟合效果良好。当该边坡安全系数值为临界值1.35时，根据曲线公式计算得总桩长约17.35 m。因此，此种情况的边坡选取桩长为17.35 m即能满足边坡安全系数值的要求。

根据桩顶位移量结果分析，在桩长出露长度(9.1 m)不变的情况下，以总桩长和位移值为坐标轴，分析两值所构成曲线变化情况，见图30。

图30 不同桩长时桩顶累积位移量示意图

根据图30，当桩长选取16.0～18.0 m范围时，抗滑桩桩顶位移量与桩长构成的曲线斜率变化较大；而桩长为18.0～25.0 m范围时，曲线斜率变化较小；当桩长>21.0 m时，曲线斜率变化可忽略，此时可视为直线。结合位移允许值，桩长宜选取21.0 m长度。

结合实际安全系数和位移量允许值要求，选取21.0 m长度的总桩长可比原设计方案所采用的22.0 m桩长更能节约成本。

以上述桩长优化方案为路径(样板)，研究了原设计方案中各个抗滑桩桩长的优化空间，最终核算出每根桩的长度能减小1.0～4.0 m不等，减少了防护工程约12.5%的工作量，明显降低了整个工程资源投入，节约了建设资金。

4 结语

(1)选取边坡中的最不利断面(设计图中的23#桩位置，23#桩的总桩长为22.0 m，出露桩长为9.1 m)作为研究对象，通过建立经过防护后的边坡的Midas/GTS二维数值模型，分析防护后的边坡稳定性和桩体的受力情况，进而判定该建设方案的工程效果，计算结果表明：经过防治后的边坡稳定安全系数为1.937 5，远大于规范值1.35，说明该边坡稳定性状态为“稳定”状态，即经过防治后的边坡稳定安全。同时，桩体所受的剪力及弯矩均较小。因此，该边坡所采用的防治方案是安全合理的。

(2)设定抗滑桩出露桩长一定(9.1 m)时，通过改变总桩长，建立相应的Midas/GTS二维数值模型，研究边坡稳定安全系数随桩长变化而变化的规律，研究结果表明：在地层的物理力学参数及桩体出露桩长(9.1 m)一定的情况下，边坡的稳定安全系数随着总桩长的增大而增大，其变化规律满足二项式曲线，对应公式为y=-0.005 8x2+0.360 3x-3.155，相关系数R2=0.998 5，即说明所采用的拟合曲线与实际情况几乎是完全吻合。当该边坡断面的总桩长<17.35 m时，边坡稳定安全系数小于规范值，边坡稳定性不满足要求。

(3)只有总桩长≥21.0 m时，才能满足规范对桩顶累积位移量的要求；选取桩长为21.0 m时，边坡稳定安全系数值满足要求，抗滑桩桩顶位移量也在允许值范围内。故理论上选取21.0 m长度的总桩长既能保证边坡处于稳定状态，又可比原设计方案所采用的22.0 m桩长更能降低工程造价，提高了工程效益。

(4)通过类似方案的优化，新优化方案比原设计方案节约了12.5%的工程费用，取得了明显的经济效益。本文边坡稳定性分析和设计方案优化是具有实际意义的。