基于数值模拟方法的预应力锚索抗滑桩加固边坡分析

■柴军锋

（山西路桥建设集团有限公司，太原 030006）

预应力锚索抗滑桩作为一种实用有效的边坡支护方式，在加固边坡工程中得到了广泛的应用[1-3]。李宁宁[4]以某工程为研究对象，采用有限元软件对预应力锚索抗滑桩加固边坡进行数值计算，并将数值模拟结果与理正岩土软件计算的结果进行对比，验证了数值模型的正确性。 李晓林[5]采用ABAQUS分析软件，对某边坡工程采用锚索抗滑桩支护方法进行数值模拟，分别对桩位、桩长、锚索长度、预应力大小进行了模拟分析，从而确定了最佳的加固方案。 张卫雄等[6]以某边坡采用预应力锚索抗滑桩支护为研究对象，基于极限平衡理论，通过假设边坡滑动面为圆弧面，推导得到了边坡最危险滑移面搜索模型和边坡稳定性计算公式。 本文以某边坡加固设计为研究对象，采用数值模拟的方法对原设计方案进行效果评定， 根据原设计的不足进行优化设计，并对优化设计后的边坡技术状况进行评定，研究结果可为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

某边坡工程，原设计采用预应力锚索结合单排抗滑桩加固边坡的方法，如图1 所示，边坡土层从上至下依次为杂填土、粉质黏土、全风化花岗岩和强风化花岗岩。 已知边坡高21.4 m，边坡纵向长度为8.1 m，抗滑桩长度为20 m，其中悬臂端和锚固段长度分别为8 m 和12 m， 抗滑桩水平间距取3.0 m，抗滑桩截面尺寸为1.6 m×1.2 m。锚索长度为24 m，其中自由段和锚固段长度分别为11 m 和13 m。

图1 原设计抗滑桩及锚索示意图

2 数值分析模型建立

该工程原设计采用有限元软件MIDAS/GTS 建立数值模型 （图2）。 边坡整体长、 宽和高分别为50 m、13.2 m 和40 m。 抗滑桩长度为20 m，其中悬臂端长度为8 m， 相邻抗滑桩水平间距取3.0 m，抗滑桩截面为方形， 尺寸为1.6 m×1.2 m， 其中长边1.6 m 垂直于坡面。 锚索长度为24 m， 施作在桩顶位置， 其中自由段和锚固段长度分别为11 m 和13 m， 锚索与水平面夹角为25 °， 施加预应力180 kN。土体的物理力学参数见表1，抗滑桩和锚索力学参数见表2。

图2 原设计数值模型图

表1 土体的物理力学参数

表2 抗滑桩和锚索力学参数

由于该工程所在地区经常受强降雨的影响，根据工程当地的历史强降雨统计数据，采用公式（1）计算降雨量：

式中：q 为降雨量；P 为重现期；t 为降雨历时。

由上式可计算得出，该地区10 年重现期内24 h的降雨量为152.3 mm。 本文采用MIDAS/GTS 软件渗流分析模块，设置降雨强度为150 mm/d，降雨加载时长为1 h，为均匀降雨。

3 原设计边坡加固方案数值模拟分析

对原设计边坡加固方案进行数值模拟分析，主要分析边坡在天然工况和强降雨工况下的稳定性。由图3 可知， 在天然工况下， 最大水平位移值为17.10 mm，最大水平位移出现在抗滑桩上部6 m 左右的坡面上；在强降雨工况下，最大水平位移值为25.10 mm，最大水平位移出现在抗滑桩顶部。 综上可知，强降雨工况下的边坡最大水平位移比天然工况下增大了46.8%，强降雨导致边坡最大水平位移发生位置下移。

图3 不同工况下的边坡水平位移云图

由图4 可知，在天然工况下，最大竖向位移值为28.20 mm，最大竖向位移出现在坡顶附近；在强降雨工况下，最大竖向位移值为32.43 mm，最大竖向位移出现位置不变。 综上可知，强降雨工况下的边坡最大竖向位移比天然工况下增大了15.0%，边坡最大竖向位移均出现在坡顶附近。

图4 不同工况下的边坡竖向位移云图

抗滑桩的位移主要以水平位移为主，如图5所示，在天然工况下，抗滑桩最大水平位移值为4.43 mm；在强降雨工况下，抗滑桩最大水平位移值为21.32 mm，抗滑桩水平位移从桩顶到桩顶依次减小。 综上可知，抗滑桩桩顶水平位移最大，桩底水平位移最小，强降雨工况下的抗滑桩最大水平位移比天然工况下增大了3.81 倍。

图5 不同工况下的边坡抗滑桩水平位移

根据原设计边坡加固方案在天然工况和强降雨工况下的边坡安全系数和位移对比监测数据（表3），结合图3～5 可知，强降雨对边坡稳定性具有较大的影响，强降雨工况下的边坡安全系数比天然工况下减小了14.8%。 根据GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》规定，一级边坡在天然工况和强降雨工况下的边坡安全系数应不小于1.35 和1.05， 因此，原设计边坡加固方案不满足规范要求，尤其是在强降雨工况下边坡处于欠稳状态，存在滑塌风险。

表3 不同工况下的边坡监测数据对比

4 原边坡加固设计方案优化设计

根据数值模拟结果， 原始坡身纵向长度为8.1 m，坡率约为1∶1，仍存在安全隐患，需要对原设计边坡加固方案进行优化。 首先对杂填土和粉质黏土层边坡进行放坡处理，坡率取1∶3，之后在粉质黏土坡脚处设置后排桩，并设置排水沟，双排桩间距为3 m，为了减小双排桩之间的相互影响，采用交错布置形式，如图6 所示。

图6 优化设计后抗滑桩及锚索示意图

对优化后的设计方案重新建模（图7），除新增的后排抗滑桩和对应锚索之外，其余不变。 新增后排抗滑桩长度为12 m，其中悬臂端长度为1.8 m，相邻抗滑桩水平间距取3.0 m，抗滑桩截面为正方形，尺寸为1.0 m×1.0 m。锚索长度为22 m，施作在桩顶位置， 其中自由段和锚固段长度分别为12 m和10 m，锚索与水平面夹角为25°，施加预应力120 kN。

图7 优化后数值模型图

由图8 可知，优化后的前排桩水平位移明显减小。 优化前的前排抗滑桩最大水平位移发生在桩顶，最大值为4.43 mm；优化后的前排抗滑桩最大水平位移发生在桩顶以下2 m 左右处，最大值为0.83 mm。 即增加后排抗滑桩后，前排抗滑桩最大水平位移减小了81.3%。

图8 天然工况下优化设计前后前排桩水平位移对比曲线

由表3 可知，在天然工况下，优化设计后的边坡安全系数增大了13.9%， 边坡最大水平位移、边坡最大竖向位移和前排抗滑桩最大水平位移分别减小了76.0%、47.6%和81.3%，后排抗滑桩最大水平位移值为1.02 mm。 根据GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》规定，优化设计后的边坡安全系数大于1.35，满足规范要求。

表3 优化设计前后天然工况下的边坡监测数据对比

由表4 可知，在强降雨工况下，优化设计后的边坡安全系数增大了21.2%， 边坡最大水平位移、边坡最大竖向位移和前排抗滑桩最大水平位移分别减小了82.9%、53.9%和93.5%， 前排抗滑桩最大水平位移降低明显，后排抗滑桩最大水平位移值为1.43 mm。 根据GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》规定，优化设计后的边坡安全系数大于1.26，满足规范要求。

表4 优化设计前后强降雨工况下的边坡监测数据对比

5 结论

以某边坡加固设计为研究对象，采用数值模拟的方法对原设计方案进行了效果评定，根据原设计的不足进行了优化设计，并对优化设计后的边坡技术状况进行了评定，得到以下结论：

（1）原设计边坡加固方案在天然工况和强降雨工况下的边坡安全系数分别为1.22 和1.04，不能满足规范要求。 尤其是在强降雨工况下边坡位移和抗滑桩位移明显增大，边坡处于欠稳状态，需要进行优化设计。

（2）采用增加后排抗滑桩的优化设计后，天然工况下边坡安全系数增大了13.9%， 边坡最大水平位移、边坡最大竖向位移和前排抗滑桩最大水平位移分别减小了76.0%、47.6%和81.3%，满足规范要求。

（3）采用增加后排抗滑桩的优化设计后，强降雨工况下的边坡安全系数增大了21.2%，边坡最大水平位移、边坡最大竖向位移和前排抗滑桩最大水平位移分别减小了82.9%、53.9%和93.5%， 满足规范要求。