抗滑桩加固土坡稳定性分析

蒋永军

(大同市交通局公路管理处，山西大同 037000)

0 引言

滑坡是工程中最为常见的病害之一，引起滑坡的因素较多，而且滑坡一旦发生，必将严重地影响交通安全以及人民的生命财产安全。在滑坡病害的防治研究中，研究人员提出了多种工程措施，其中抗滑桩占据着重要的地位，在滑坡治理中获得了广泛的应用，从最早应用的木桩，到后来的钢桩以及目前应用最为广泛的钢筋混凝土桩等等。不同于一般的桩基础，抗滑桩主要承受水平荷载，这与梁的受力特点较为相似，然而抗滑桩是埋藏在土中的，由于滑动面以及土体抗力的作用，使其成为了一种有别于简单梁的超静定结构［1-3］。

国内外的众多学者通过理论分析，数值模拟以及现场监测等手段针对滑坡问题以及抗滑桩措施进行了大量的研究，其中强度折减法是最为有效的数值分析方法之一。强度折减法是由Zienkiewicz等提出的［4］，其核心是抗剪强度折减系数，可以理解为在外荷载不变的条件下，土体的最大抗剪强度与所受到的剪应力之比，在极限情况下，土体受到的实际剪应力与按照强度指标折减后确定的实际抗剪强度相等。

折减后的抗剪强度指标可由式(1)表示:

其中，c为土体的粘聚力;φ为土体的摩擦角;cm，φm均为折减后的值;Fr为折减系数。

利用强度折减法进行数值计算时，判断边坡是否失稳的依据主要包括数值计算的收敛与否、特征部的位移拐点、是否形成连续贯通区［5］。

本文在前人研究的基础上，结合实际工程，利用有限元方法以及强度折减法论证了抗滑桩的作用，并分析了桩距对于土坡稳定性的影响。

1 数值模型的建立

1．1 几何尺寸

某边坡工程为防止滑坡拟采用抗滑桩进行处理，坡高为10 m，边坡坡度为1∶1．5，抗滑桩的桩径为0．8 m，桩长 15．5 m，桩间距为4倍桩径3．2 m，桩的位置距离坡脚10．5 m，底端距离土基底部2．0 m。为了提高计算效率，采用对称的方法，分析一根抗滑桩一侧一般桩径土体的受力特性，本文建立的数值模型见图1。

1．2 参数选取

土体选用Mohr-Coulomb准则，桩体选用线弹性本构模型，具体的参数取值如表1所示。

需要注意的是，为了保证土坡自身的初始稳定性，在最开始设置材料时，取强度折减系数为0．5，因此土体的粘聚力和内摩擦角分别为50 kPa和54．48°。

表1 数值模型主要参数

1．3 接触设置

桩土之间的接触如何设置对于计算结果有着很大的影响，本模型参考前人的经验，从初始分析步开始设置接触特性，采用主从接触面算法，主面为桩体表面，土体设置为从面。法相接触为硬接触，选用罚函数的摩擦特性，摩擦系数设置为0．5。

1．4 边界条件

充分考虑实际工况，数值计算模型确定的边界条件如下:

1)限制模型左右侧面的X向位移。

2)限制模型前后面的Y向位移。

3)地基底部为固定端约束。

4)约束桩的对称面Y向位移。

1．5 加载过程

首先进行初始地应力的平衡，并导出单元中心点的地应力，将导出的文件导入下一个计算阶段，作为强度折减分析时的初始应力状态。

2 数值计算结果

2．1 初始地应力平衡阶段的受力特性

初始地应力平衡时岩土工程数值分析的最初始也是最重要的阶段。如图2所示分别为计算得到加固前后的初始地应力平衡后土坡的沉降云图。

如图2所示，在初始地应力平衡过后，抗滑桩的存在使得路基整体的沉降有所减小，但是效果并不明显。

如图3所示为初始地应力平衡过后，加固前后路基中的竖向应力云图。

抗滑桩的存在虽然并没有对路基中的最大竖向应力值产生显著的影响，但是改变了路基中应力的分布状态，加入抗滑桩后，路基中的竖向应力分布更加均匀，最大值出现在桩底与土体接触的部位。

2．2 安全系数与滑动面

安全系数是边坡设计施工过程中最重要的参数，而抗滑桩的存在究竟对安全系数的影响有多大，以及不同的桩距条件下安全系数是如何变化的等问题还需进一步讨论。本文利用程序分别记录计算过程中未加固的边坡、桩距为4倍以及8倍桩距的边坡衰减系数Fr以及坡脚处的水平位移，结果如图4所示。

以曲线的拐点处的Fr作为安全系数。由图可见，当边坡加固前的安全系数大约为2．01，采用4倍桩距作为桩距的抗滑桩加固时，安全系数约为2．51，而增大桩距到8倍桩距时，安全系数降低到2．37，说明抗滑桩的加固效果比较明显，但是其合理桩距的确定还需要进一步研究。

在实际工程中，除了安全系数之外滑动面的位置也是重点的研究对象之一，然而经过强度折法计算得到的总位移云图，往往难以确定滑动面的位置，因此考虑到滑坡的趋势可以在增量位移中反映，因此，本文绘制了计算终值时最后两个分析步之间的位移增量云图。如图5所示，加固前的边坡已经形成连续贯通的滑动带，而抗滑桩的存在使得桩前后的位移增量云图的颜色差异较大，说明有效地阻止了其上部土体的下滑，而由于抗滑桩的存在，则避免了滑动带的贯通。

3 结语

本文基于实际工程，结合数值计算法以及强度折减法，分析了抗滑桩对于边坡的加固作用，结果表明:1)在初始地应力平衡阶段，抗滑桩对于沉降的影响不大，而对于竖向应力的分布则有较大影响，可以使竖向应力的分布更加均匀，而最大的竖向应力值出现在桩底与地基土接触的部位。2)抗滑桩的存在可以显著提高边坡的滑动安全系数，但是当桩距由4倍桩距增加到8倍时，安全系数又有了明显的降低，说明了如何合理布置桩距还需要进一步探讨。3)抗滑桩的存在有限地抑制了桩后土体的变形，抑制了贯通的滑动带的形成。

［1］黄海明，许成承，刘小文．边坡稳定性有限元强度折减法分析［J］．山西建筑，2009，35(16):8-10．

［2］李 萍，付 强，陈小念．基于有限元强度折减法分析土坡稳定［J］．甘肃科学学报，2007，19(4):63-66．

［3］韦立德，杨春和，高长胜．基于三维强度折减有限元的抗滑桩优化探讨［J］．岩土工程学报，2005，27(11):1350-1352．

［4］周德培，肖世国，夏 雄．边坡工程中抗滑桩合理桩间距的探讨［J］．岩土工程学报，2004(1):32，135．

［5］刘 杰，姜俊涛，姜晓峰，等．边坡稳定性的有限元强度折减分析法［J］．低温建筑技术，2010，149(11):79-81．

［6］万少石，年廷凯，蒋景彩．边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论［J］．岩土力学，2010，31(7):2284-2288．