抗滑桩加固边坡的受力机理分析

李桂林，王云飞

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000)

在边坡加固工程中，由于抗滑桩具有刚度大的特性，能够承受滑移体的较大水平下滑推力，得到很好的加固效果。特别是滑移面明显且滑移面下覆地层能够很好的锚固抗滑桩时，更能体现抗滑桩加固边坡的优越性[1]。

国内外很多学者对抗滑桩加固边坡进行了研究获得了许多有益成果[2-4]。李邵军等通过土力学与弹性力学理论导出了桩后土体应力解和土拱力学模型[5]。魏作安等利用弹性理论导出了桩后土体应力场分布函数[6]。卓杨分析了水平荷载作用下桩土之间的相互作用[7]。文献[8]研究了微型桩体系加固顺层边坡计算模式，考虑桩-土-桩相互作用分析了桩间应力传递机制。王涛等指出弹性理论解夸大了桩-土作用，过高估计反力的不均匀性，建议在分析桩土作用时必须对弹性理论解进行修正，方可得到满意结果[9]。从以上分析可见对抗滑桩加固边坡的研究主要集中在桩土作用和土拱效应方面[10-13]。

综合分析抗滑桩加固边坡的研究文献发现，主要是针对桩后的土拱效应进行研究，而对桩体在坡体受力稳定过程中的应力变化规律，桩体不同部位的受力状况及桩中应力峰值出现时刻还有待进一步研究，以上问题对抗滑桩的设计与加固效果具有重要的指导意义，本文正是针对上述问题展开了详细研究。

1 接触面力学分析

本研究涉及的接触问题有土体与基岩之间的接触面，抗滑桩与土体和基岩之间的接触面。FLAC3D中提供的接触面单元可以用来分析上述接触问题。能够分析在一定受力状态下两个接触面产生的错动滑移以及分开闭合现象。接触面单元是由三节点的三角形单元构成，分配三角形面积到各个节点上，每个接触面节点都表示一定的接触面积。四边形区域由两个三角形接触面来表示，在每个接触面顶点上自动生成节点。

接触面是单面的，接触面单元可以通过接触面节点和实体单元之间建立联系。接触面法向方向所受到的力是有目标面方向决定的。在每个时步中，首先得到接触面节点和目标面之间的绝对法向刺入量和相对剪切速度，再利用接触面本构模型来计算法向和切向力。处于弹性阶段，t+Δt时刻接触面的法向和切向应力通过下式计算：

(1)

图1为接触面本构模型示意图，对于Coulomb滑动的接触面单元，存在相对接触和相对滑动两种状态，根据Coulomb抗剪强度准则可得到滑动切向力Fsmax为：

Fsmax=cijA+tanφif(Fn-uA)

(2)

式中，cij为接触面的凝聚力，φif为接触面的摩擦角，u为孔压。

当|Fs|

(3)

式中，ψ为接触面膨胀角，|Fs|o为修正前的剪力大小。

图1 接触面本构模型示意图

节点上的法向力分布在目标面上，剪切力分布在与节点相连的反方向的面上，然后加权平均各力到每个面的节点上。

2 抗滑桩加固边坡受力机理

2.1 工程地质与计算模型

高速公路路段的一路堑边坡，边坡上部为粉质黏土，下部为基岩。粉质黏土与基岩接触面比较平直，且开挖切穿土岩接触面，岩土分界面倾角15°左右，易造成接触面上部土体沿接触面的整体滑移。坡面的设计坡角40°，切穿的粉质黏土最大垂直厚度达6m多。为了保证边坡的稳定性采取边加固边开挖的措施，采用抗滑桩群加固，抗滑桩截面为1m×1m的钢筋混凝土桩，桩体采用C30混凝土，桩间距为3m，排距为5m。第一、二和三排锚固段长度分别为8m、6.5m、5m，悬臂端长度为6.15m、4.5m、2m。各种材料的物理力学计算参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数表

选取研究剖面尺寸为：长度59m，高度30m，宽度方向18m。在粉质黏土与基岩面之间采用Interface单元模拟分界面，抗滑桩表面采用Interface单元模拟桩土接触面。采用Mohr-coulomb准则进行分析计算，所建立的模型如图2所示。

图2 边坡加固计算模型

2.2 加固前稳定性分析

图3和图4分别为未加固开挖边坡上部土体中节点的位移图和剪切面的破坏形态。

图3 未加固上部土体x向位移

图4 加固前分界面剪切破坏形态图

通过地质资料分析发现在路基边坡的开挖过程中会切割土岩分界面，容易导致上部土体的失稳破坏。图3为土岩分界面上土体上部和下部两个节点的位移图，从图3可以看出两点位移不在收敛且量值区域一致，说明了上部土体在未加固开挖时会沿分界面发生整体滑移。图4分界面的整体剪切破坏也表明了上部土体的失稳滑移现象。

2.3 抗滑桩受力机理分析

从前面的分析得知在不采取加固措施进行开挖时，会发生坡体的失稳破坏。因此必须对坡体进行加固处理。下面分析抗滑桩不同部位在边坡加固中的受力机理。

图5、图6为各排抗滑桩加固边坡过程中，桩体不同部位轴向力随着时步的变化规律。图中桩上部轴向力和下部轴向力分别是指抗滑桩顶部和抗滑桩底部处单元的轴向力，而桩中部轴向力都是指各排桩在岩土分界面处的轴向力。从图5和图6看出随着时步的增加各排桩的桩中轴向应力逐渐增大到最大值而后又下降稳定于最终受力状态，桩中轴力比桩顶和桩底轴力都大，主要是上部土体下滑力沿桩轴向的分力作用于桩上使得轴向力不断增加造成岩土分界面处桩轴向力较大。对比各排桩受力情况发现第一排所受的力最大，表明了第一排桩在边坡稳定性方面所起的作用较大。抗滑桩受到的最大轴力并不是稳定时的轴力，而是发生在边坡应力调整过程中。分界面处轴力的稳定时间明显要晚于桩顶和桩底部位，表明分界面处桩体在应力调整过程中受力变化更加复杂。

图5 第一排桩轴力

图6 第二排桩轴力

图7、图8为抗滑桩剪应力随时步的变化规律，从图看出在边坡应力调整过程中，各排桩分界面处剪应力变化幅度最大，表明抗滑桩在分界面处所受到的剪切作用较大。抗滑桩在分界面处剪应力达到稳定值受边坡应力调整的影响较大明显滞后于桩顶与桩底部位。主要是由于边坡开挖导致岩土分界面以上的土体向下滑移，土体滑移力作用于锚固于基岩中的抗滑桩上部造成抗滑桩在分界面处受到较大的剪切作用，从而在剪切面处出现了较大的剪应力。在边坡开挖桩土作用的应力调整过程中，分界面处剪应力的变化要比桩顶与桩底部位更加复杂，表明了抗滑桩在分界面处截面为控制截面，是容易破坏的位置。

图7 第一排桩剪切力

图8 第二排桩剪切力

3 结论

通过未加固前边坡的稳定性分析，发现上部土体会沿着岩土分界面发生整体滑移，结合实际地质采用抗滑桩对坡体进行了加固处理。

详细分析了开挖导致坡体应力调整过程中抗滑桩受力机理，揭示出了抗滑桩在岩土分界面处受到的轴向力和剪切应力都较大，是坡体加固中抗滑桩的重点控制部位。容易在分界面处由于上部岩土体的下滑作用力导致桩体的破坏。

桩体在分界面处应力调整达到稳定值的时间要滞后于桩顶和桩底部位应力调整的时间。抗滑桩所受到的最大轴向力和剪切应力并不是坡体达到稳定状态时的桩体所受应力，而是出现在坡体应力调整过程中。

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