桩基加固位置及长度对软土地基边坡的影响分析

作者简介：

卢照磊（1992—），工程师，研究方向：道路桥梁工程。

为研究路堤桩基在软土地基边坡工程中的作用机理，文章建立了桩基加固软土边坡的有限元模型，分析了不同加固位置和桩长度对软土边坡稳定性的影响。结果表明：（1）桩基的不同加固位置对软土边坡的安全系数和变形量有显著影响，当加固位置为边坡右侧时，安全系数比加固位置为边坡左侧的高出近50%；（2）不同加固位置的桩基剪应力主要集中在-4～-1 m的区域，桩基在该区域更易受到破坏；（3）桩长为3 m时，软土边坡的安全系数满足工程规范要求，但变形量相对较大，最大变形可达120 mm，且变形主要集中在路堤右侧，是桩长为6 m和9 m时路堤竖向变形的20～30倍；（4）在工程施工过程中，应根据剪应力和位移的分布情况，采取合理措施调整桩基加固位置和长度等施工方案。

桩基；边坡；软土地基；加固；稳定性

U416.1+4A260933

0 引言

随着社会经济的发展，许多偏远山区陆续修建公路和铁路，经常会遇到软黏土质边坡填筑的路堤。软土边坡不应仅视为边坡基础和软土路基的简单组合，因此，研究在软土地基边坡上修建路堤的可行性至关重要。软土地基通常具有倾斜的土层面，地基土松散、力学强度低，压缩性高，给边坡稳定、路堤填筑施工和路堑开挖带来一定困难［1］。此外，在边坡、软土层和路堤自重的影响下，同时还承受车辆荷载，易出现沉降不均、侧向变形过大等工程问题。在倾斜的软土地基上修建大型工程项目时，易发生边坡失稳［2］。因此，需采取经济合理的有效措施以加固边坡，减小变形，增大边坡的安全系数［3］。国内外相关工程实践表明，桩基在边坡加固工程中具有明显优势，得到了广泛的应用。工程中可采用桩基加固来满足路堤稳定性的要求［4］。姜彦彬等［5］在土体自重和竖向荷载条件下，对比桩加筋边坡和无筋边坡，进行了一系列模型试验。黄延等［6］研究建立了考虑不同埋深和桩位的三维边坡加固微抗滑桩模型。胡烨之等［7］使用PLAXIS-3D软件，研究了土质边坡、不排水粘聚力、桩土界面粘附力、桩径和桩帽对黏土坡顶桩横向承载力的影响。张国军等［8］分析了用于稳定边坡的桩的最佳位置问题。然而，关于桩基加固斜坡软土路堤的稳定性仍待进一步研究。为了满足工程规范要求，有必要研究边坡软土路堤的稳定性和桩基加固的效果。

本文采用有限元分析法和强度折减法相结合的方法对桩基加固软土边坡路堤进行研究，建立了桩基-路堤模型，研究了桩基的位置和长度对路堤稳定性的影响，对比了不同加固方案对边坡软土路堤稳定性和桩基力学性能的影响，研究结果对桩基加固软土边坡路堤的设计具有参考意义。

1 模型的建立

本文基于一个典型的软土地基边坡路堤工程，利用ABAQUS建立了桩基-路堤模型。为了减少模型边界效应对有限元分析的影响，本文模型长度设置为120 m，路堤坡度设置为1∶1.85，软土层厚度为3 m，坡度为9°，如图1所示。该模型由路堤填料、软土层和下卧刚性层组成。模型的左右两侧在水平方向上受到约束，底部在水平和竖直方向上受到限制，路堤和坡面是自由状态。土体和桩之间的接触是硬接触，采用平面应变四边形单元对有限元模型进行网格划分。

本文在建立软土地基边坡路堤工程时，只考虑了土体自重的影响，没有考虑地震、降雨和降雪等其他因素。数值模型的安全系数采用有限元分析，结合强度折减法进行计算。桩基在位置1、位置2、位置3、位置4、位置5和位置6点进行加固，如图1所示。相邻桩基之间的间距为5 m，桩径为0.8 m，桩基弹性模量为32 GPa。路堤填土层和软土层采用摩尔-库伦理论，模拟土体的力学强度，下伏刚性层和桩基采用弹性本构模型。路堤填土层的弹性模量设置为110 MPa，泊松比为0.37，重度为19.5 kN/m3，内摩擦角取28°。软土地基土的弹性模量设置为15 MPa，泊松比为0.35，重度为18.5 kN/m3。

2 分析与讨论

本文研究了不同桩基位置和长度对软土地基边坡路堤稳定性的影响，主要包括路堤的竖直方向变形和安全系数，以及桩基的剪应力和水平位移。本文研究中路堤变形未考虑方向对变形值的影响，竖向变形为数值模型在垂直方向上的位移。

2.1 强度折减方法

有限元分析方法具有计算简单、应用范围广的优点，同时，强度折减法被广泛采用于计算边坡的安全系数。因此，本文采用有限元分析法与强度折减法相结合，对桩基加固软土地基边坡上的路堤进行了研究。强度折减法是通过逐渐降低边坡的强度指标来分析边坡稳定性，直到边坡达到极限平衡状态，折减系数是边坡的安全系数。对于摩尔-库伦本构模型，当使用有限元强度折减法时，需要将c和tan值除以强度折减因子Fs，以获得一组新的强度参数，然后进行有限元分析，并通过公式反复计算，直到边坡土体达到临界失效状态。临界状态对应的折减系数是边坡的安全系数，具体如公式1所示。

其中，Fs是强度折减系数，c是土体的内聚力，φ是土体的内摩擦角。强度折减方法可以在ABAQUS中实施，通过设置和调整材料参数，使其随现场变量而变化。模型计算经过多次迭代后不收敛，根据相应稳定性分析的评价标准得到安全系数。

2.2 桩基加固位置

为了研究软土地基边坡路堤上桩基加固位置的影响，建立了六个模型，分别对位置1、位置2、位置3、位置4、位置5和位置6进行了桩基加固。相邻桩基之间的距离为5 m，桩径为0.8 m，桩长为6 m。分析了不同加固位置对软土地基边坡路堤安全系数的影响，具体结果如图2所示。当加固位置从1变为位置2时，安全系数增大，安全系数从1.587增加到1.661。当加固位置为1或位置2时，其安全系数较高，这意味着在此处进行桩基加固可以更好地提高边坡的稳定性。当加固位置为位置2时，安全系数比位置5高出近50%，比位置6高出近40%。

除此之外，本文还研究了不同加固位置对软土地基边坡路堤表面竖向方向变形的影响。在图3中，横轴是从软土地基边坡路堤表面上的任意点到路堤表面右端的距离。如图3所示，软土地基边坡路堤的变形从路堤表面的右侧向左侧逐渐减小，变形主要集中在路堤表面的右侧。此外，不同的加固位置对路堤表面的变形有很大的影响。例如，当位置5用桩基加固时，路堤变形比位置1用桩基加固显著增大。如图3（a）所示，对位置1或位置2进行加固，与其他位置相比，路堤的变形可以得到更好的控制效果。当位置1或位置2单独加固时，详细分析了模型路堤表面垂直变形的差异，如图3（b）所示。如果位置1用桩基加固，路堤表面的横向变形较位置2更有效地减少，竖向变形量几乎接近零。

综合上述分析，当路堤的右下部分，位置1至位置3处采用桩基加固时，与其他位置相比，桩基可以更有效地提高路堤的稳定性。不同加固位置的桩基剪应力如图4所示，剪应力主要集中在-1～-4 m的区域，因此桩基在该区域更容易受到破坏。对于不同位置加固的模型，当在位置2、位置3、位置4、位置5和位置6分别加固时，桩基的平均剪应力从位置2到位置6逐渐降低。虽然在位置1用桩基加固的数值模型中，桩基承受的剪应力很小，但路堤的稳定性有一定改善［9］。

2.3 桩基长度

相邻桩之间的距离为5 m，坡度为9°。为分析桩基长度对软土地基边坡的安全系数、路堤变形和桩基力学性能的影响，用桩基加固不同位置，桩基从右到左依次记为1号桩、2号桩、3号桩、4号桩、5号桩和6号桩。改变有限元模型中桩长的数据，桩径设置为0.8 m，桩间距为5 m，分析桩长为3 m、6 m和9 m时，桩基长度对边坡安全系数、路堤表面变形和桩基力学性能的影响。桩长为3 m、6 m和9 m时，安全系数均取为4。当桩基数量为6时，桩基长度对安全系数的影响很小，软土边坡上的路堤保持相对稳定。

不同长度的桩基对路堤表面变形的影响不同。当桩长分别为6 m和9 m时，路堤表面的变形约为5 mm，这表明当桩长为6 m和9 m时，不仅可以符合边坡工程安全系数的要求，同时路堤表面的竖向变形也可以得到较好控制。桩长3 m时，虽然路堤的安全系数符合工程规范要求，但路堤的变形相对较大，最大变形可达120 mm。此时，变形主要集中在路堤右侧，是桩长为6 m和9 m时路堤竖向变形的约20～30倍，过量的变形对堤防工程的正常运行与维护产生重大不利影响。因此，当采用桩基加固路堤时，应选择合适的桩长来控制路堤的竖向变形，增加桩的长度可以显著减小软土地基边坡路堤的变形量［10］。

图5为不同长度桩基情况下的软土地基边坡的水平方向位移曲线，对比了长度为3 m和6 m时的情况，图5（a）的桩长为3 m，图5（b）的桩长为6 m。如图5所示，桩基的水平方向位移受桩长的影响同样较大，水平位移主要集中在桩的下部。当桩基长度从3 m增加到6 m时，桩基底部的位移显著减小。例如，对于1号桩，桩基底部的位移减少了约80%。当桩基长度从6 m增加到9 m时，桩基的水平位移主要集中在所有桩基的底部且呈现增加的趋势，各桩基底部的水平位移结果较为相似。

基于上述分析，结果表明，增加桩的长度可以减少各桩基的水平位移，但当群桩长度超过一定范围时，桩长继续增加，桩基的水平位移不会持续减小。因此，在软土边坡上用桩基加固路堤时，有必要选择合适的桩长，既能充分利用桩基，又节约成本。为了更好地为工程桩基设计提供理论指导，对桩基的力学性能进行了分析。当桩长度为6 m时，桩基上的剪应力比桩长为3 m时波动更明显，桩基所承受的剪应力集中在桩基的-4～-6 m处，约为-60～-100 Pa。当群桩长度为9 m时，相较于3 m的群桩长度，各桩基上的剪应力随着桩长的增加，桩基的剪应力波动范围较小。桩长度对桩基剪应力的分布有较显著影响。在工程施工过程中，应根据剪应力和位移的分布情况，采取合理措施调整桩基施工方案。

3 结语

本文采用有限元分析方法，研究了不同加固位置和桩长对边坡软土路堤稳定性的影响，并分析了软土地基边坡路堤中桩基的位移和剪应力。结论如下：

（1）不同的桩基加固位置对路堤的稳定性和竖向变形量有不同影响，在边坡最右侧加固的安全系数比边坡最左侧可高出近50%。

（2）边坡软土地基路堤的变形主要集中在路堤的右侧坡脚。适当的桩长对路堤的竖向变形有显著的约束作用，长度为3 m的桩的最大竖向变形约是桩长为6 m和9 m的20～30倍。当边坡软土路堤采用不同桩长的群桩加固时，桩基的水平位移最多可降低约80%。

（3）不同的桩长对桩基的剪应力分布有影响。其中，桩基的水平位移受桩长的影响较大，水平位移主要集中在桩的下部。当桩基长度增加时，桩基底部的位移显著减小。

参考文献

［1］张祖阳，许宝田，王 威，等.凝灰岩山体斜坡承压水成因机制分析［J］.工程勘察，2020，48（12）：36-41，68.

［2］黄 毅，武进广，魏海明，等.湿陷性黄土路堑高边坡稳定性分析［J］.施工技术（中英文），2023，52（4）：34-38.

［3］王世梅，李小锋，谭建民，等.赣南花岗岩风化边坡破坏模式及其失稳预测［J］.三峡大学学报（自然科学版），2023，45（2）：30-35.

［4］王海恩.边坡蠕滑影响下桥梁桩基力学特性分析［J］.施工技术，2022，51（1）：32-35，43.

［5］姜彦彬，何 宁，许滨华，等.桩承式加筋路堤有限元几何建模方法及边坡效应研究［J］.水利水运工程学报，2020（1）：84-91.

［6］黄 延，陈雪亮.基于不同排布型式的弧形抗滑桩边坡加固效果研究［J］.能源与环保，2022，44（4）：24-29，44.

［7］胡烨之，鲁子爱，张雅琪，等.加载方向对加翼桩极限横向承载力的影响［J］.水电能源科学，2019，37（1）：106-110，90.

［8］张国军，孙 博.基于地震作用的预应力锚索抗滑桩边坡加固应用优化研究［J］.水利水电技术，2019，50（9）：148-153.