抗滑桩加固参数对边坡稳定性影响的数值计算

刁海珠

（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

近年来，我国铁路、公路、库区等工程开始向偏远山区的发展，由于我国山区地形崎岖、地质条件复杂，施工过程中深挖高填现象十分普遍，由此产生了较多的边坡工程问题，带来的经济及安全损失也日益增加。目前边坡治理成为国内外学者的研究热点，其中最为有效的方法是进行边坡加固，常见的加固方法有注浆加固、挡土墙加固、抗滑桩加固、预应力锚杆（锚索）加固等。其中抗滑桩加固是一种应用广泛且有效的加固方法，目前对抗滑桩加固边坡稳定性的研究多集中在模型试验和加固效果计算上[1-5]，而对于抗滑桩加固参数对边坡稳定性的影响研究较少，本文基于FLAC3D数值模拟软件，从桩位、桩长两种抗滑桩加固参数出发，计算不同抗滑桩加固参数下的边坡稳定性，同时着重分析边坡内部土体以及桩体的响应规律，为利用抗滑桩加固的边坡工程提供参考。

2 数值分析模型

本文采用的边坡及抗滑桩计算模型如图1所示，坡高10m、坡比为1:1.5。关键性边坡土体参数：黏聚力c=20.1kPa、内摩擦角φ=23°、密度γ=21.5kN/m3。边坡土体采用修正剑桥模型，抗滑桩采用弹性模型。FLAC3D中的抗滑桩单元示意图如图2所示。

图1 抗滑桩及边坡计算模型

图2 抗滑桩单元示意图

3 抗滑桩加固参数计算结果

现通过FLAC3D数值模拟软件，从桩位以及桩长两种抗滑桩加固参数出发，计算不同抗滑桩加固参数下的边坡稳定性，研究了抗滑桩加固边坡的剪力、位移以及弯矩的变化规律以及对其周围边坡土体的影响。

首先计算边坡在自然状态下的破坏形式，以此作对比分析。计算结果如图3所示，利用强度折减法计算出该边坡在自重下的安全系数FS为1.59，从图3可以看出，在边坡土体剪应变较大处出现了一个塑性贯通区，产生了潜在滑动面。

图3 自然状态下边坡最大剪应变云图

3.1 不同桩位条件下计算结果

图4为不同桩位条件下边坡的最大剪应变云图，由图可知，当抗滑桩设置在坡体不同位置上时，边坡的破坏形式，即潜在滑动面位置是具有较大差异的。当抗滑桩设置在边坡的中下部靠近坡脚时（XF／Lx=0、0.2、0.4），边坡产生的塑性区区域从坡顶一直延伸到桩顶处，且形成滑动面，抗滑桩至坡脚处的边坡土体没有产生塑性区。当抗滑桩设置在靠近边坡中心处时（XF／Lx=0.6），抗滑桩靠近坡顶和坡脚两侧的边坡土体均产生了较大的剪应变，各形成了一个塑性区，且范围较大，且有桩底深处土体蔓延的规律，但由于抗滑桩的阻隔，未形成连续的滑动面。当抗滑桩设置在边坡的中上部靠近坡顶处时（XF／Lx=0.8、1.0），边坡产生的塑性区区域从桩顶一直延伸到坡脚处，且形成滑动面，抗滑桩至坡顶处的土体没有产生塑性区。由以上计算结果可知不同桩位下，边坡土体形成的剪应变区域与潜在滑动面不同，破坏形式有着较大差别。

图4 不同桩位的边坡最大剪应变云图

图5 不同桩位抗滑桩的受力特性

图5为不同桩位下的抗滑桩的受力特性，由图5可知，桩身的弯矩随着桩深的增加，呈现出先增大后减小的规律，当抗滑桩设置在靠近边坡中部时，产生的剪应变区域最大，滑动面范围最大，抗滑桩桩体的弯矩、剪力和挠度均达到最大值，此时抗滑桩所提供的抗滑力较大，坡体内部的剪应力较分散，未能形成连续的塑性贯通区，因此当抗滑桩桩位设置在靠近边坡中部时，边坡稳定性强。

3.2 不同桩长条件下计算结果

研究桩长对边坡稳定性的影响规律，桩长分别取L=5m、10m、15m、20m、25m，桩位位于边坡中部（XF／Lx=0.5），控制其他参数相同，计算加固边坡的稳定性，将安全系数Fs作为定量评价边坡稳定性的指标，图6为安全系数随桩长的变化规律。

图6 安全系数随桩长的变化规律

由图6可知，边坡的安全系数随着桩长的增加呈现增大的趋势，其原因是随着桩长增加，锚固深度加大，抗滑桩所能影响的边坡土体范围增大，抗滑桩可提供的抗滑力提高，从而使边坡稳定性提升。当桩长小于15m时，边坡安全系数的增大趋势较快，15m后，增大趋势逐渐趋于平缓，即当抗滑桩桩长达到一定长度后，桩长对边坡稳定性的提升能力减弱。因此，在实际工程中，需要根据实际工况来确定最佳桩长，而非越长越好，需要兼顾到施工难度以及建设成本。

图7所示的分别是桩长L=5m、10m、15m、20m、25m时，抗滑桩所受弯矩、剪力和挠度随桩长的变化规律。当桩长L=5m、10m时，桩体的弯矩、剪力均较小，此时抗滑桩的加固能力不明显。当桩长L=15m、20m时，抗滑桩所受弯矩、剪力和挠度均较大，且增幅明显，加固能力提升显著，当桩长L在20m～25m时，部分桩体所受的弯矩、剪力和挠度几乎为0，表明在20m～25m这段桩体几乎没有受力，即这段桩体对边坡加固没有起到作用，因此在本算例中，桩长取值15m～20m即可达到最优的加固效果。

图7 不同桩长抗滑桩的受力特性

图8所示的是不同桩长下抗滑桩设置在边坡中心切面处的边坡的破坏形态云图。由图8可知，当桩长L=5m、10m时，由于抗滑桩的贯入深度浅，产生的塑性区域范围较大，且向桩底坡体内部延伸，且抗滑桩有着随滑动土体发生位移的趋势，当桩长L=15m、20m、25m时，所产生的塑性区基本相同，抗滑桩靠近坡顶和坡脚两侧的边坡土体各形成了一个塑性区，但由于抗滑桩的阻隔，未产生连续的滑动面，加固效果显著提高。

图8 不同桩长时边坡破坏形态云图

4 结论

本文利用FLAC3D有限元数值模拟软件，从桩位、桩长两种抗滑桩加固参数出发，计算不同抗滑桩加固参数下的边坡稳定性，研究了抗滑桩加固边坡的剪力、位移以及弯矩的变化规律，对其周围边坡土体的影响，主要结论如下。

①抗滑桩桩位对边坡的稳定性、滑动面位置都有很大影响。当抗滑桩设置在靠近边坡中心处时，加固效果最好，抗滑桩靠近坡顶和坡脚两侧的边坡土体均产生了较大的剪应变，各形成了一个塑性区，且范围较大，且有向更深处的土体蔓延的趋势，但由于抗滑桩的阻隔，未形成连续的滑动面。当抗滑桩位于边坡靠近坡顶和坡脚时，加固效果则相对较差。因此，抗滑桩应设置在靠近边坡中部的位置，这样可有效保证边坡稳定的同时节约成本。

②边坡的稳定性随着桩长的增加呈现增大的趋势，但当抗滑桩桩长达到一定长度后，桩长对边坡稳定性的提升能力减弱。当桩长L=15m、20m时，抗滑桩所受弯矩、剪力和挠度均较大，且增幅明显，加固效果最优，本文中桩长最适宜的长度为15m～20m。