锚杆-抗滑桩联合支护边坡稳定性分析

李绵禄

（长沙理工大学 土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

随着我国交通事业不断发展，公路、铁路等基础设施逐步向山区、丘陵地带延伸，因而产生了越来越多亟需处理的路堑高陡边坡。

经过多年工程实践与理论分析，国内外学者在边坡防治与加固等方面取得了很多研究成果。 蒋鑫等[1]采用数值模拟方法分析抗滑桩对上路基的侧向滑移和稳定性控制效果，得出在下坡脚处设置抗滑桩可以有效约束斜坡软土地基的侧向滑移。 年廷凯等[2]利用自编有限元程序，结合典型边坡算例，深入探讨了抗滑桩-边坡体系的模型计算范围、抗滑桩设置参数与桩底接触模式等因素对边坡稳定安全系数的影响。 王聪聪等[3]采用有限元计算分析了抗滑桩在边坡中的加固效果，探讨了抗滑桩参数对边坡安全稳定的影响。 上述研究成果有力验证了抗滑桩对边坡的加固效果，揭示了不同抗滑桩设置参数的影响规律，为了保证工程安全，采用单一的加固措施往往不能同时保证高陡边坡的局部稳定和整体稳定。 曹文昭等[4]提出了抗滑桩+加筋土挡墙组合支挡结构，阐述该组合支挡结构的结构形式和技术特征， 采用有限差分程序FLAC3D 建立该组合支挡结构的数值模型，对比分析了抗滑桩和抗滑桩+承台2 种结构的加筋土挡墙。

高陡边坡上部坡面采用锚杆注浆，坡脚采用抗滑桩加固的组合结构，在工程实践中得到广泛应用[5-8]。 这种复式加固方式既能发挥预应力锚索主动加固作用，限制边坡上部变形，又可以有效利用抗滑桩被动加固作用，减少边坡坡脚土方开挖，保证坡脚道路的正常施工及运行。 本文以贵州至广州高速铁路DK703+556.8～DK703+696.91（运营里程K735+680～K735 +820）段左侧边坡为实际依托工程，利用强度折减法对锚杆和抗滑桩联合支护下的边坡稳定性进行研究，可为工程设计和施工提供借鉴。

1 计算原理

一般来讲，当边坡高度增大，坡顶荷载增加或坡脚受到不合理切削，以及土体自重及渗透力等在坡体内引起应力变化，土体内部的切应力超过其抗剪强度坡体就会发生失稳。 在用有限元软件数值模拟研究土体时，通常无法合理施加外部荷载，而是通过对影响土体强度值的参数进行调整来得出土体破坏的极限状态，这种方法称之为强度折减法，调整的参数称之为安全系数K[9-10]，强度折减法是基于摩尔库伦破坏准则公式（1）：

强度参数的调整如公式（2）式所示，调整后的土体参数见公式（3）和公式（4）：

式中：K 为安全系数或强度折减系数，c 为粘聚力，σ 为正应力，φ 为内摩擦角。由此可得：

数值模拟中，土体材料采用摩尔库伦屈服准则，桩体材料采用弹性模型，桩-土之间采用无厚度接触面连接，如图1 所示，此模式可考虑剪切屈服。 其中，接触面的法向行为采用法向弹簧和抗拉键来控制， 当接触面法向拉力超过最大抗拉强度， 接触面即失效。 取抗拉键强度为0，即桩-土界面不抗拉。 接触面的切向行为通过切向弹簧、抗剪键和滑块来表征，抗剪键可承受的最大剪切力fs-max按式（5）计算。

式中：cs为接触面粘聚力，φs为接触面内摩擦角，A 为接触面节点相关面积，fn为接触面节点的法向应力。 由于接触面切向的摩擦参数一般小于桩周土体的摩擦参数，可通过将桩周土体强度参数按一定比例折减来确定。

图1 桩-土单元接触面

2 数值模型

2.1 工程概况

边坡位于贵州至广州高速铁路DK703+556.84 ～DK703+696.91（运营里程K735+680～K735+820）段左侧，上行官步1 号中桥，下行官步2 号中桥，边坡全长140.07m。

边坡上部采用锚杆，锚栓头采用14# 槽钢焊接，预应力锚索采用张拉机拉拔，钻孔采用机械成孔，直径160mm，坡面采用厚度150mm 的C20 喷射混凝土，内挂直径6.5mm，间距200mm 钢筋网片。

边坡下部采用锚索+抗滑桩及挡土墙处理， 预加固桩采用C35 钢筋混凝土现场浇注，桩长17m，桩间距3.5m（中-中）， 桩截面尺寸为1.5m×1.75m。联合支护典型截面如图2 所示，岩、土体材料参数如表1 所示，支护结构材料参数如表2 所示。

图2 边坡联合加固截面（DK703+626.510）

表1 岩、土体材料参数

表2 支护结构材料参数

2.2 有限元模型

本文利用MIDAS-Gts 有限元程序按实际尺寸建模。 数值模型横向（X 向）取120m，纵向（Y 向）取四根抗滑桩范围20m（1.5×4+3.5×4），竖向（Z 向）坡顶高50m，坡脚高21m。 边坡及支护结构单元划分如图3 所示。

模型边界条件：边坡底部约束X、Y、Z 三向；x=0m 和x=120m两侧为X 向约束；y=0m 和y=20m 处为Y 向约束； 其余边界为自由面。边坡及联合支护结构网格如图3 所示。岩、土体采用Mohr-Coulomb 本构模型，其余材料采用弹性本构模型，如表3 所示。

表3 岩土及支护结构材料有限元单元

图3 边坡及其联合支护结构网格

3 数值分析结果

3.1 边坡稳定性分析

经过强度折减法计算，图4、图5 为经过联合支护加固前后边坡的总位移及水平向位移云图。 从图中来看：加固前，安全系数为1.05，边坡总位移最大为0.230m，水平位移最大为0.175m，最大位移均位于坡面中上部；经过锚杆、抗滑桩加固后，安全系数为1.47， 边坡的总位移最大为0.147m， 水平位移最大为0.057m，分别降低37%和67.2%，且最大位移位置均发生改变，总位移最大值位于坡顶， 水平位移最大值位于坡脚的抗滑桩桩顶。

经分析，加固前的边坡经过强度折减后，位移主要以水平向为主，经过加固之后，大幅度减少边坡水平位移，但是由于加固支护结构的增加，同时造成了边坡竖向受荷增大，进而造成了更大的竖向位移。 从而，边坡加固前后总位移降低率远低于水平位移降低率。

图4 边坡总位移U

图5 边坡x向位移Ux

图6 边坡最大剪切应变

图6 为边坡强度折减法计算后最大剪切应变云图， 加固前边坡由于降雨、地震等原因容易形成圆弧线滑坡，经过锚杆、抗滑桩及挡土墙等的加固防护作用，边坡剪切应变大大减小，由于支挡结构的材料抗力，边坡滑体的整体滑移得到有效控制，不会发生失稳滑塌等现象。 同时，应当注意在抗滑桩及挡土墙加固边坡时，由于刚度变化，造成在抗滑桩背部及挡土墙墙趾处产生较大剪切应变，导致边坡面层混凝土垫层开裂，影响坡脚其他结构的正常使用。

3.2 抗滑桩位移、内力分析

图7 为抗滑桩（桩长17m）结构变形位移云图，由图可知，抗滑桩主要发生水平位移， 桩顶、 桩底水平位移分别为53.74mm、24.56mm。桩体整体随边坡向斜下方向移动，桩顶总位移约占边坡位移最大值的36.8%，位移远低于边坡最大位移，证明抗滑桩整体效果比较明显。

图7 抗滑桩变形位移矢量云图

图8 为抗滑桩桩体位移沿桩长方向变化曲线。 抗滑桩竖向位移整体维持在25mm 左右，水平位移与总位移随着桩长变化大致呈 “线性” 减小， 桩底位移值分别为其桩顶位移值的45.7%和59.22%，桩底位移仅有桩顶位移的1/2 左右。226 kPa，位于抗滑桩顶部。4 根桩的受力分布情况大致相同，均呈“中间大、上下小”的分布模式。 总体而言，上部应力小于下部应力，中间应力值最大。 每根桩的最大应力值均在0.8MPa 左右，各个桩之间差异性较小，且均小于16.7MPa（抗滑桩采用的C35 混凝土抗压强度设计值），有一定的安全储备。

图8 抗滑桩位移沿桩长变化

同时，相较于桩左侧，右侧应力明显高于左侧应力，且对于桩身下半段更为明显。 左侧应力最大值为479kPa， 仅为右侧的61%。 因此，抗滑桩设计时，增加右侧下半段配筋尤为重要。

此外，无论桩身左侧或是右侧，桩顶位置均发生较大应力集中，且右侧更为明显，经过分析，桩顶位于滑坡的坡脚，应力集中明显，实际施工中，应加强此处垫层混凝土厚度及强度，避免造成桩头由于应力集中而产生破坏，影响桩身完整性，造成桩体较大破坏，从而引起边坡失稳，造成更大损失。

图9 抗滑桩应力沿桩长变化

3.3 锚杆锚索内力分析

边坡上部通过采用锚杆注浆，充分发挥边坡深部稳定地层的稳定承载能力，边坡下滑力荷载主要经锚固体将荷载分散到周围地层中，从而可以有效减小抗滑桩设计荷载，同时也能够减少边坡开挖量，保障线路正常施工及运行。

经过数值计算，结果如图10 所示，锚杆、锚索轴向拉力锚固端较小，自由端较大。锚杆轴向拉力最大值为211.93kN，主要发生在下排锚杆，上排锚杆轴向拉力大致为150kN 左右。 预应力锚索铰接在抗滑桩桩顶，共同承担下滑力部分荷载，锚索轴向拉力最大值为353.36kN。

图10 锚杆、锚索轴向拉力

3.4 挡土墙稳定性分析

该工程路堑挡土墙的作用是保证边坡整体性，确保不会产生桩间土破坏，从而影响铁路正常行驶。 图11 为挡土墙位移及内力图。 由图可知，挡土墙位移较小，最大值为5.76cm，挡土墙位移随深度增加而减小，墙趾处位移为4.11cm。且从图中可以看出，挡土墙整体性较好，位移呈整体平动，未发生较大变形，能够较好地保障土体稳定。

从挡土墙内力来看，墙背处受到较大主动土压力，应力最大值542.34kPa，从数值来看并不会对挡土墙造成过大影响，挡土墙设计满足工程需要。 结合图7 来看，挡土墙墙趾处将产生较大剪切应变，挡土墙前排水沟等设施容易发生开裂，施工时应注意挡土墙底部垫层施工，从而避免后期开裂的发生。

图11 挡土墙位移及内力图

4 讨论与分析

本文从实际工程出发， 依据贵广高速DK703+ 626.510 处左侧边坡为工程背景， 利用强度折减法对边坡稳定性进行分析，通过锚杆、锚索-抗滑桩以及挡土墙的联合加固方式，对边坡进行综合治理。 分析结果可为工程施工提供一定的理论指导，也可为类似工程提供一定的工程借鉴。

（1） 从边坡稳定性分析可知，通过锚杆、锚索-抗滑桩以及挡土墙的联合加固方式确实提高了边坡稳定性，但同时也带来一定的问题，边坡坡脚处较大剪切应变应及时处理，增加垫层施工厚度，避免后期造成较大开裂。 同时，由于支护结构的增加，也将增加边坡沉降，工程施工时应等待足够时间，等沉降趋于稳定时，再进行边坡坡面其余结构施工。

（2） 工程设计时，应考虑抗滑桩、挡土墙与土坡刚度差别，避免造成结构失稳。 且在设计抗滑桩配筋时，应结合具体情况，对薄弱位置进行加强，避免发生局部破坏。

5 结论

本文采用有限元分析软件MIDAS-Gts 对贵广高速DK703+626.510 左侧边坡进行稳定性分析， 并对其联合支护结构进行分析，得出以下结论：

（1） 锚杆、锚索-抗滑桩联合加固能够有效减少边坡滑移，边坡的总位移、水平位移分别降低37%和67.2%，由于支护结构施工，同时也将产生更大的沉降；

（2） 抗滑桩应力最大值为785kPa，位于抗滑桩地面以下约3/4 处，抗滑桩的受力分布情况大致相同，均呈“中间大、上下小”的分布模式，且桩右侧远大于桩左侧；

（3） 由于锚杆的加固作用，边坡上部位移减少较多，同时抗滑桩分担荷载也将减小，锚杆、锚索内力均在钢筋安全范围内，未产生破坏，因此，锚杆、锚索-抗滑桩联合支护将更有利于边坡治理；

（4） 挡土墙作为整体性结构构件，能够有效保障路堑边坡安全稳定，避免影响线路运行，同时根据工程经验，也将产生墙前设施后续开裂，工程施工应多加注意。