边坡锚索抗滑桩稳定性及加固方案优化研究

作者简介：覃尚文（1984—），高级工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

文章以云南省昆明市某边坡工程为例，基于有限元数值模拟软件MIDAS GTS，分析了边坡的位移变化、预应力锚索的轴力分布以及抗滑桩的变形特征，进一步提出锚索抗滑桩的优化方案，使其在降低成本的同时提高边坡支护效果。主要结论为：（1）边坡在锚索抗滑桩联合支护下有较好的稳定性；（2）前排抗滑桩的位移主要表现在桩身露出地表的部分，后排抗滑桩的位移表现在深入地下部分；（3）抗滑桩桩长的变化对边坡稳定性的增强存在一定的局限性；（4）抗滑桩在施加预应力锚索后，桩身的受力状态发生了改变，由原本的被动受力转变为主动受力，从而起到了较好的预加固作用。

锚索抗滑桩；边坡稳定性；MIDAS GTS有限元软件

U418.5+2A050155

0 引言

随着我国基础建设规模不断扩大。在铁路公路、水利工程以及采矿行业飞速发展的同时，出现了大量的人工边坡。人工边坡自稳性差，在强降雨作用下容易发生滑动，严重威胁着人民的生命财产安全。因此，研究边坡稳定性问题以及支护新方式显得尤为关键。

近些年来，国内外研究学者针对边坡锚索抗滑桩稳定性开展了大量的研究。目前的研究方法主要集中于数值分析方法（PFC、ANSYS、FLAC 3D等）与极限平衡法。金布格等［1］提出了一种计算锚索预应力的方法，其原理是先计算出抗滑桩桩顶的水平位移，进而通过公式推导出锚索的预应力，为锚索抗滑桩的工作原理研究打下了坚实的基础。励国良［2］提出了基于锚索抗滑桩-滑体计算锚索预应力值，并通过室内试验对其计算式正确性进行验证，结果表明：边坡上部锚索抗滑桩的侧向应力的分布规律呈K字型，而普通抗滑桩的侧向应力的分布呈矩形，二者的分布方式相似。邵磊［3］通过FLAC 3D软件建立了有锚索抗滑桩联合加固支护的边坡模型，研究了锚固位置改变对锚索抗滑桩受力和位移的影响，结果表明：锚索抗滑桩加固位置的变化对边坡最大位移的影响较小，对边坡的安全系数的影响较大。裴强等［4］利用FLAC 3D软件研究了锚索抗滑桩加固支护边坡在地震作用下桩身内应力、坡体内应力以及坡体水平位移的变化规律，结果表明：在地震作用下边坡水平位移减小，这是因为地震使坡体形成了土拱，与普通的抗滑桩相比，预应力锚索-抗滑桩的弯矩分布规律近似“S”型，与剪力的分布规律相反。秦晓睿［5］对锚索预应力抗滑桩的优化方案进行了研究，通过正交试验对锚索抗滑桩的参数进行优化，与实际工程相结合，得出了设计参数的最佳组合。

锚索抗滑桩支护是一种重要的支挡结构形式，其具有施工便捷、桩位设置灵活和抗弯性能强等优势，但其在理论方面的研究远落后于工程实践。因此，本文基于前人对锚索抗滑桩研究的基础，结合云南省昆明市某边坡工程，通过数值模拟的方法，分析了采用锚索抗滑桩支护措施后边坡的稳定性问题，同时提出了锚索抗滑桩支护的优化方案。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

1.1.1 地形地貌

研究区位于云南省昆明市，地势险峻，地形起伏较大，区域地势差异较大，主要地貌为高山剥蚀山地陡坡地貌。

1.1.2 地层岩性

研究区地层按结构顺序从上至下为：

杂填土，颜色为杂色，主要成分为碎石，粒径约为0.5～3 cm，厚度约为0.2 m。

黏土，以红褐色为主，硬塑，稍湿，厚度约为1～2 m，韧性以及干强度中等，结构较松散、有较好的压实性，容易产生竖直位移集中的沉降现象，岩芯呈短柱状，表面稍具光泽。

下覆基岩上部为少量全风化玄武岩，灰褐色，大部分岩石已经风化为具有一定塑性的黏土；下覆基岩下部为强风化玄武岩，灰黑-褐红色，致密状结构、块状构造，节理裂隙较为发育，岩芯呈短柱状。

1.1.3 软弱结构面

研究区内地层岩性差异明显，表现在上下伏岩层软硬结构面和节理裂隙面，这些软弱结构面易导致边坡崩滑。

1.1.4 水文地质

工程区内未发现明显地表水体存在，地下水主要以第四系孔隙水、岩溶水以及裂隙水为主，裂隙水水量较小，以大气补给为主。

1.2 滑坡概况

边坡位于研究区西侧，由于坡顶地表层极易产生不均匀沉降、土层较深，发生滑坡的风险较大。在2019年5月，该地区遭遇连续的特大暴雨，导致边坡部分土体产生坍塌，经过专业人员进行现场勘察，设计出了在边坡中上部加设锚索抗滑桩的支护方案。加固方案如图1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 MIDAS GTS软件介绍

MIDAS GTS是MIDAS公司旗下的一款针对岩土工程的有限元分析软件，拥有较先进的DIANA的有限元分析内核，其非线性分析能力能出色解决在溶洞、隧道、边坡等各类岩土工程上所遇到的难题，支持十余种本构模型以及多种自定义模型。通过MIDAS GTS软件中的不同计算模块可以对锚索抗滑桩支护下的边坡进行稳定性分析。图2为MIDAS GTS有限元建模过程［6］。

2.2 细观参数的确定

细观参数对MIDAS GTS软件模拟结果的准确性影响较大，而软件并不包含细观参数与宏观参数的定量关系，因此土体力学参数根据野外调查报告以及室内试验进行确定，如表1所示为岩土体力学参数［7］。

2.3 网格划分及边界条件

MIDAS GTS软件的网格划分需要对模型的重点分析部位进行网格加密处理，本文采用单位长度的方法对网格进行尺寸控制，模型网格包括21 167个节点以及103 486个单元。

关于边界条件，本文首先约束了边坡左右两侧的位移，即在水平x方向设置位移约束，随后在竖直y方向设置了模型前后端的位移约束，而模型的底部需要固定不动，故设置了x、y、z 3个方向的位移约束［8］。

2.4 模型的构建

边坡模型如图3所示，边坡坡顶高程为40.2 m，坡底高程为20.2 m，高差为20 m。首先在边坡底部布设了一排锚索抗滑桩，锚索为4束16 mm的钢绞线，抗滑桩桩长21 m，伸出地面长度为8 m；坡体中部的锚索预应力抗滑桩与坡底的抗滑桩交错布设，锚索为3束16 mm的钢绞线组成，桩长12 m，伸出地面长度为2 m，为悬臂式抗滑桩，如图4所示。锚索抗滑桩的各个参数取值依照《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）进行取值。

3 模拟结果分析

为研究锚索抗滑桩的加固效果，本节通过研究边坡水平和竖直方向的位移、不同位置的抗滑桩位移特征以及预应力锚索轴力的分布规律来综合分析锚索抗滑桩对边坡稳定性的影响［9］。

3.1 边坡稳定性分析

如图5、图6所示为锚索抗滑桩加固后边坡的位移云图。

由图5、图6可知，边坡在水平方向最大的位移为4.25 mm，位于边坡中上部；竖直方向位移的最大值为14.55 mm，位于坡顶与坡面相交处；边坡的安全系数为1.392＞1.35（一级边坡在自重情况下的安全系数最小值），采用锚索抗滑桩加固后边坡的安全系数能够满足设计要求，说明加固效果较好。

边坡在水平方向的位移较小，在竖直方向的位移较大，这是由于坡表红黏土层容易产生较大的沉降，因此在实际边坡工程治理过程中，要重视边坡坡顶产生的不均匀沉降。

3.2 抗滑桩桩身水平位移分析

如图7和图8所示分别为前后排抗滑桩桩身水平位移曲线图。

由图7、图8可知，布设于前排的锚索抗滑桩桩长从0 m增加至10 m时，其桩身水平位移增加了0.11 mm，增幅为33%，当桩长从15 m增加至18 m时，其桩身水平位移增加了0.76 mm，增幅为122%，而随着桩长的持续下移，桩身水平位移出现一定的下降趋势，当桩长为15～18 m时，抗滑桩桩身水平位移曲线斜率最大，表明坡底部抗滑桩的水平位移集中于桩身露出坡表处；而布设于后排的锚索抗滑桩桩长在0～4 m、4～10 m所对应的水平位移增长率分别为150%、260%，水平位移在4～10 m的增幅较大，表明坡中部抗滑桩的水平位移集中于桩的中上部。前后排桩的水平位移曲线均呈“r”字形，说明锚索的施加使抗滑桩的受力状态发生改变，桩从被动受力转化为主动受力，从而起到了较好的预加固作用。

3.3 预应力锚索轴力分析

图9为后排锚索轴力分布图。

由图9可知，锚索的轴力分布具有分段性，第1阶段为锚索自由段，此阶段锚索长度为0～12.5 m，对应的锚索轴力均在100 kN左右，表明轴力能够较为均匀地分布在锚索上；当锚索长度＞12.5 m时，为第2阶段（锚索锚固段），锚索轴力呈不断减小的趋势，此时轴力的分布会集中于锚索灌浆体的前半部分。两阶段的轴力分布具有明显差异性，出现该现象是由于后排锚索抗滑桩的三束钢绞线在12.5 m之前不会直接承担坡体内部产生的摩阻力，这部分的锚索等于仅一端被约束的杆件，轴力能够较均匀分布；锚固段锚索的钢绞线不仅要承担坡体内部的摩阻力，还要承受灌入锚索内部的浆体阻力，锚索两端均受到约束，使轴力出现集中分布的情况，所以轴力会逐渐趋近于0。

4 锚索抗滑桩支护方案优化

为了选取锚索抗滑桩桩身长度、锚索预应力、锚索锚固角度以及锚固段长度的最优参数，本节通过调整锚索抗滑桩桩身长度、锚索预应力、锚索锚固角度以及锚固段长度，分析4类因素变化对边坡稳定性的影响，从而在确保安全系数较高的前提下提高工程经济效益。

4.1 抗滑桩桩长参数优化

不同抗滑桩桩长条件下的边坡安全系数变化曲线如图10所示。

由图10可知，当抗滑桩桩长从9 m增加至11 m时，边坡安全系数大幅提高，提高幅度为3.2%；而当抗滑桩桩长从11 m增加至13 m时，边坡安全系数基本不变，增幅仅为0.01%，说明仅依靠增加桩长难以达到持续增大边坡安全系数的目的。因此，充分考虑工程实用性以及经济效益，将抗滑桩的最佳桩长定为11 m。

4.2 锚索预应力参数优化

不同锚索预应力值条件下的边坡安全系数变化曲线如图11所示。

由图11可知，在锚索预应力从50 kN增长到150 kN时，安全系数从1.365增长到1.415，增长率为3.7%；当预应力从150 kN增长到200 kN时，安全系数从1.415增长到1.416，增长率仅为0.07%，表明锚索的预应力处于50～150 kN时，预应力的增大能有效提高边坡的安全系数。与增加抗滑桩桩长相同，当锚索预应力增加到一定程度时，随着锚索预应力增加，边坡安全系数基本不变，综合考虑将锚索最佳的预应力值定为150 kN。

4.3 锚索锚固角度的参数优化

不同锚固角度条件下的边坡安全系数变化曲线如图12所示。

由图12可知，随着锚索倾角的增大，边坡的安全系数不断减小，但倾角过小可能导致孔内泌水等问题的出现，因此考虑工程实际情况，锚索倾角选为20°较为合理。

4.4 锚固段长度参数优化

不同抗滑桩锚固段长度条件下的边坡安全系数变化曲线如图13所示。

由图3可知，当锚索抗滑桩锚固长度从3 m增长至8 m时，边坡的安全系数增长了0.03，增长幅度较大；当锚固长度从8 m增长到14 m时，安全系数仅增长了0.002，表明随着锚固段长度的增加，边坡的安全系数不断增大，但与桩身长度和锚索预应力的增长规律相似。当锚固段的长度＞8 m时，边坡的安全系数趋近于稳定，综合考虑锚索抗滑桩的工程实用性以及经济性，锚索的最佳锁固段长度为8 m。

4.5 优化方案与原方案数值模拟结果对比

由表2可知，与原设计方案相比，优化后边坡最大总位移、最大水平位移以及最大竖直位移都有不同程度的减小，同时锚索抗滑桩所需的施工材料消耗量减少，边坡的安全系数提高，说明优化方案不仅提高了经济效益，也增强了边坡的加固效果，因此优化后的加固方案更加合理。

5 结语

本文以云南省昆明市某边坡工程为例，基于MIDAS GTS软件，对采用锚索抗滑桩加固后边坡的稳定性进行研究，分析边坡安全系数以及位移变化，同时提出相应的优化方案，使其经济效益与安全性均有所提高。

得到如下主要结论：

（1）前排抗滑桩的位移主要集中于桩身露出地表的部分，后排抗滑桩的位移主要集中于深入地下部分。

（2）随着抗滑桩桩长、锚索预应力的增长，边坡安全系数不断增大，但最终增长幅度均趋于平稳。

（3）抗滑桩在施加预应力锚索后，桩身的受力状态发生了改变，由原本的被动受力转变为主动受力，从而起到了较好的预加固作用。

［1］金布格，依申柯. 锚索抗滑桩组合结构的计算.滑坡文集（第五集）［M］.北京：中国铁道出版社，1986.

［2］励国良.锚索抗滑桩的设计计算及其试验验证.滑坡文集（十集）［M］.北京：中国铁道出版社，1993.

［3］邵 磊.预应力锚索抗滑桩锚固位置优化研究［J］.安全与环境工程，2016，23（2）：143-146，152.

［4］裴 强，夏超南，刘小庆，等.预应力锚索抗滑桩支护边坡的地震动力响应分析［J］.煤炭技术，2018，37（9）：57-58.

［5］秦晓睿.预应力锚索抗滑桩加固边坡优化设计研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2015.

［6］Hao Wu et al.An improved fractal prediction model for forecasting mine slopedeformation using GM（1，1）［J］.Structural Health Monitoring，2015，14（5）：502-512.

［7］蒋希雁，杨尚青，谢 聪.降雨条件下不同类型植被边坡稳定性的研究［J］.科学技术与工程，2022，22（26）：11 550-11 558.

［8］Bo He and Hongcai Zhang.Stability Analysis of Slope Based on Finite Element Method［J］.International Journal of Engineering and Manufacturing（IJEM），2012，2（3）：70-74.

［9］Liang Qin Tang and Dong Yan Liu and Yong Jian Li.Stability Calculation of High Side Slope of Diversion Power System Inlet on Left Bank of Jinchuan Power Station［J］.Applied Mechanics and Materials，2012（1977）：1 071-1 075.