含多层泥化夹层边坡的抗滑桩支护优化设计

王志强，龙郧铠，邱培城，刘 飞，郭澎正

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051； 2.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500)

0 引言

公路、城市建设和露天矿等工程都需要面对和解决多层岩质边坡稳定性问题[1]，泥化夹层被认为是控制岩体稳定性的关键因素[2]。对含有泥化夹层的边坡来说，在开挖过程中如果不即时采取有效的支护措施，极易造成边坡失稳，带来不必要的损失。抗滑桩因其抗滑能力极强，广泛应用于含弱层的边坡支护中[3-4]，发挥着重要的作用。

目前对抗滑桩加固含弱层边坡效果的研究已经有了大量且成熟的研究成果。基于极限分析法，郑刚等[5]分析了在静、动力荷载下桩体位置和桩间距对抗滑桩加固边坡的效果；基于强度折减法，方健等[6]通过abqus软件分析了在含有一条夹层的情况下，认为抗滑桩应该设在边坡的中下部同时桩间距为4倍桩径时，对边坡的支护效果最佳。在物理实验方面，王浩然[7]运用离心模型试验研究了含弱层路堤边坡的抗滑桩加固效果，认为桩位于中部的效果好于坡脚。但前人的工作大都只是分析了一条夹层的情况，对于含有多层夹层的边坡来说，支护方法还鲜有报道。深入探讨抗滑桩对于含多层泥化夹层边坡的支护效果，有重要的理论意义和实际意义，本文在前人的研究基础上，以云南玉溪研和垃圾站高边坡项目为依托，通过有限元软件plaxis建立三维模型，基于强度折减法分析了抗滑桩的桩距和分布位置对含有多层泥化夹层边坡稳定性的影响，以达到确定支护的最优方法的目的。

1 模型及分析原理

1.1 计算模型和参数

综合实际工程项目考虑将模型简化为图1。边界条件左右两侧为法向约束，坡体两侧面不考虑沿滑动方向的约束，上部自由边界，底部为全约束。采用强度折减法计算边坡整体的安全系数。图2为计算模型网格划分图。岩土材料本构模型采用摩尔-库仑模型，计算采用的参数见表1。

表1 各材料物理力学计算参数

1.2 灵敏度分析原理

为了确定各个参数对于稳定性影响的显著性，对于这种参数离散化的模型，我们在分析参数对结果的影响时，常采用灵敏度分析方法[8]。在实际工程中，结构状态响应函数边坡稳定性安全系数是研究参数的隐函数，常采用全局差分法作近似计算。

2 计算结果分析与讨论

2.1 边坡滑裂面分析

在不设支护设施时，由图3可以看出潜在滑动面沿着暴露的最下面一层夹层展面开，破坏主要出现在该夹层及其上部岩层，坡后岩体在坡脚岩体的拉裂作用下扩展到坡顶，最终形成贯通的滑动面。含多层夹层的边坡失稳形式是典型的“牵引后退式”破坏，此时边坡的破坏面与均质岩体边坡不同，不再是整体转动机制，而是破坏面呈现出沿泥化夹层滑动的趋势。泥化夹层的存在，大大增加了影响边坡安全的不确定因素，若支护不当或支护不及时，都将造成巨大的损失，对比图3,图4可知，在布设抗滑桩支护后边坡最大位移由4 200 mm到9.5 mm缩小了近500倍，安全系数由1.056到2.110提高了约2倍。图4展现的是抗滑桩支护后的塑性变形云图，可以发现，坡体上部的滑动得到了有效的阻止，不稳定区域沿着抗滑桩向深部岩体扩展，向下延伸了多个层面，并依次沿着泥化夹层面展开，但在抗滑桩的有效阻塞下，变形没有越过桩体；对于桩下部的岩体来说，不再承担上部岩体巨大的荷载作用，坡脚没有剪出，变形也大大减小。综上，边坡安全得到了有效保障，进而说明抗滑桩在含多层泥化夹层边坡的支护中是行之有效的。

2.2 抗滑桩分布位置对边坡稳定性的影响

将横向分布间距固定为2D(3 m)(见图1),Lx每次递增1.25 m，分析Lx/L从0～1递增过程中, 抗滑桩分布位置对边坡稳定性的灵敏度SL和安全系数Fs的变化情况,结果如图5所示。

图5中安全系数的分布情况表明在相同桩间距的情况下，将抗滑桩设置在距离坡脚3.75 m (Lx/L=0.375)时，安全系数达到最大值2.11，相比其他工况，对边坡加固效果最为良好，位于边坡中部时次之，两者安全系数相差仅0.03。由图5可以看出SL曲线呈现比较明显的变化趋势，总体上与安全系数走向一致，出现3个拐点，距离边坡中部越远时，其变化的幅度越大，对安全系数影响更加敏感。由此可见，抗滑桩分布位置的改变决定了边坡安全系数的大小。同时抗滑桩位于中部时，其安全系数相比Lx/L=0.375处并没有明显的提高，反而为了达到与之相同的效果需要更长的桩长，所以说在经济上是不合理的。方健[6]和李华勇[9]认为抗滑桩设在中下部效果最佳，本文的研究结果与前人是相一致的，抗滑桩在位置上对边坡安全系数的影响呈先增大后减小的趋势，在边坡中间部位得到最大值，在边坡上部时影响甚微。

2.3 抗滑桩间距对边坡稳定性的影响

根据模型的对称性来确定计算模型的范围，如图1所示[10]，抗滑桩底部完全固定，顶部自由，不考虑桩长，将抗滑桩竖向位置固定在Lx/L=0.375处，分析桩间距从2倍桩径至8倍桩径对边坡安全系数Fs和灵敏度SW的影响。

不同抗滑桩间距下的安全系数和灵敏度分布曲线如图6所示，可以看出，边坡安全系数随着抗滑桩桩间距的增大而线性减小，从2.11线性递减到了1.5，减少了28.4%。从灵敏度来看，变化趋势较为平缓，其绝对值均在0.1左右，表明抗滑桩间距与安全系数为负相关，影响呈线性变化极其敏感，这主要是在单桩的作用范围一定的情况下，随着桩间距的增大，对相邻两桩间岩土体的支挡作用逐渐减弱直至没有。

3 结论

1)含多层泥化夹层的边坡的破坏性形式是沿着最接近坡脚的弱层形成“折线形”破坏面，与均质边坡整体转动机制下的“圆弧形”破坏面有所不同。

2)在抗滑桩由坡脚逐渐向坡顶布置时，边坡的安全系数呈现先增加后减小的变化规律，在Lx/L=0.375桩位，安全系数最大，支护效果最好。

3)随着桩间距的增加，安全系数不断减小，灵敏度呈线性变化。在W/D=2桩位安全系数最大，没有形成贯通的破坏面。

4)数值模拟结果表明：含有多层泥化夹层边坡在开挖后及时通过合理的布设抗滑桩能够有效提高边坡的稳定性。