基于有限元法对抗滑桩在渠堤稳定中的影响因素分析

张飞 汤璐

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司 上海 200439）

基于有限元法对抗滑桩在渠堤稳定中的影响因素分析

张飞 汤璐

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司 上海 200439）

本文结合国内某大型渠堤工程，在简单介绍该渠堤抗滑加固措施后，着重分析了水泥搅拌桩作边坡加固措施的影响因素，并利用基于强度折减法的有限元软件进行定量分析计算，得到在不同抗滑桩的桩长、桩径和桩距与土质渠坡稳定安全系数的关系，文章在对大量试算方案综合比较的基础上，确定了该渠坡水泥搅拌桩的最优设计方案。该方法可为大中型渠坡堤防抗滑桩的设计提供参考。

渠坡防护 抗滑桩 影响因素 有限元法 安全系数

1 引言

边坡稳定对工程的重要性不言而喻，边坡失事方式多为边坡失稳或堤防渗流滑移失稳引起滑坡，威胁水利工程及周边群众的生命财产安全。其危害大小与当地地形条件，居民点位置，水流排泄条件等关系密切。对边坡的稳定安全国内外学者已做了很广泛的研究。对于边坡结构稳定分析计算，国内外学者也已提出了很多计算方法，例如：极限平衡法、塑性极限分析和滑移线场法等。

2 工程概况

该工程为高填方渠堤工程，由于渠堤高程较大，达到6～8m，局部达到10m左右，设计采用非膨胀土填筑堤身。填方渠堤边坡稳定安全系数按一级土坝建筑物要求取1.5。

3 工程边坡防护措施研究

为满足渠堤的高填方要求，采用了一系列提高填方渠堤边坡稳定的加固措施，主要包括：在高填方渠堤外侧设置抗滑桩，戗台、提高外坡边坡稳定安全系数；放缓渠堤内外边坡提高渠坡安全度。

4 抗滑桩影响因素研究

工程中抗滑桩位移和内力计算通常采用悬臂桩法。即滑动面以上桩体视为悬臂构件，滑动面以上作用于桩身的滑坡推力分布形式近似为矩形或三角形分布，假定滑坡推力方向与滑动面平行。滑动面以下桩体的锚固段，内力根据滑动面处的弯矩和剪力按地基弹性抗力系数K计算。按弹性地基梁计算桩身内力和变位时根据对地基系数的假定的不同分为“K”法、“m”法、“c”法。当滑床为较完整的岩质和硬粘土层时，通常采用“K”法，即地基系数为常数K；当滑床为硬塑一半坚硬的砂粘土、碎石土或风化破碎成土状的软质粘层时，采用“m”法，即地基系数随深度呈线性增加。

4.1 结构形式

本工程抗滑桩使用水泥搅拌桩,水泥搅拌桩以其施工时无噪音、无泥浆废水污染、造价较低等优点，广泛应用于基坑支护，堤防、天然边坡的抗滑稳定加固中。水泥搅拌桩在工程应用中，多采用连续结构形式，即可作为挡土墙起到挡土抗滑作用，又可作为防渗帷幕起到截渗作用。

结合本工程，水泥搅拌桩用于加固渠堤外边坡，为保证渠堤外坡增设水泥搅拌桩后，渠道在正常运行时，渠堤浸润线不升高，水泥搅拌桩采用非连续形式。水泥搅拌桩水泥掺入比为18%，桩径0.6m，垂直水流方向连续搅拌，顺水流方向间隔布置。

4.2 设计标准

本工程填方渠堤外坡，要求在渠道正常运行工况下安全系数采用简化毕肖普方法计算不小于1.5。采用水泥搅拌桩加固后，在洪水综合影响等级高和较高渠段，正常运行工况下，渠堤外坡采用简化毕肖普法计算的安全系数，应分别不小于1.75和1.6。

4.3 影响因素研究

以下将以填方高度10m，坡比1∶2的典型断面为例研究水泥搅拌桩作抗滑桩的支护效果和影响支护效果的因素。采用基于强度折减原理的有限元软件进行研究。有限元法具有不受边坡几何形状和材料不均匀限制的优点，能准确反映出边坡土体的应力应变的本构关系，能够考虑土体复杂的非线性关系，是目前边坡稳定性分析中较为理想的方法。

4.3.1 水泥搅拌桩的支护效果

采用简化毕肖普法计算典型断面正常运行工况下渠堤外坡的安全系数F外=1.575，如图1所示。

图1 正常运行工况下外渠坡稳定安全系数F外=1.575

增设水泥搅拌桩后，采用简化毕肖普法计算典型断面正常运行工况下渠堤外坡，水泥搅拌桩断面处的安全系数F外=1.826，如图4.3-2所示。水泥搅拌桩桩径为0.6m，垂直水流方向布置的三根搅拌桩为一组，桩间距为3m，桩长11m；水泥搅拌桩的抗剪强度c=800kPa, φ=0°，渗透系数取值为2×10-7m/s。

图2 增设搅拌桩正常运行工况下外渠坡稳定安全系数F外=1.826

通过计算来看，采用搅拌桩加固后渠堤外坡的安全系数由1.575增加到1.826，增大了16%。

4.3.2 影响抗滑桩支护效果的因素

（1）桩间距。桩间距是抗滑桩设计的重要内容之一，土层中的拱作用的产生与拱结构物不一样，拱结构是把材料制成拱形状，在荷载作用下发挥其承受压力的作用;而土拱有其自身的形成过程∶在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应”。桩间距过大，桩间土拱不能形成，造成土体从桩间挤出，桩体抗滑作用失效；桩间距过小，会使工程投资增大，造成施工困难。

桩间距的确定影响因素较多，桩间间距可以建立了桩间土拱合理的计算模型。为保证相邻桩间土拱正常发挥作用，通过建立以下控制条件∶在极限状态下建立桩间土拱静力学平衡方程;以莫尔一库仑破坏准则作为验算标准验算拱顶截面前缘点，以保证桩间土拱不因剪切破坏而丧失稳定性∶为保证拱脚处三角受压区不破坏，应满足莫尔-库仑破坏准则。

本工程由于搅拌桩并非连续布置，对于两组搅拌桩之间渠坡稳定复核按照土拱效应来复核，即认为各组搅拌桩顺水流方向的间距设置合适，则桩间土会形成土拱。粘性土形成土拱时，各组搅拌桩允许的最大净距lmax按照下式计算：

式中，'B为桩宽度，本工程取值为0.6m；

c为土料的抗剪强度，本工程取值为40kPa;

φ—土料的摩擦角，本工程取值为22°；

q—拱后均布推力；

根据公式1计算最大净距，并结合工程自身特点选取合适的水泥搅拌桩间距。

通过上述分析来看，增设水泥搅拌桩后渠堤外坡的安全系数将会得到提高。

（2）桩长。水泥搅拌桩在满足断面尺寸的要求下（满足抗倾覆稳定、抗剪强度满足要求），随着桩长的增加，渠坡最危险滑弧将向地层深处发展，渠坡安全系数增加，如图3～5所示，搅拌桩桩长L分别为10m、11m、12m时的安全系数分别为1.752、1.826、1.925。水泥搅拌桩桩长增加，则锚固段长度增加，也有利于搅拌桩的抗倾覆稳定，根据相关规范计算，锚固段长度满足桩长的1/3-1/2时桩的抗倾覆稳定即满足要求。因此，搅拌桩的最终桩长根据渠坡稳定安全系数确定。

图3 搅拌桩L=10m正常运行工况下渠坡稳定安全系数F外=1.752

图4 搅拌桩L=11m正常运行工况下渠坡稳定安全系数F外=1.826

图5 搅拌桩L=12m正常运行工况下渠坡稳定安全系数F外=1.925

（3）断面尺寸。水泥搅拌桩在桩长不变的情况下，断面尺寸越大，渠坡的安全系数越大，但是当断面尺寸满足某一值后（抗剪强度满足要求后），随着水泥搅拌桩断面尺寸的增加，渠坡的安全系数变化不大，如图6～8所示，水泥搅拌桩断面尺寸B分别为0.6m，1.2m，1.8m时渠坡的安全系数分别为1.806、1.816、1.826。根据计算，当水泥搅拌桩的断面尺寸满足抗剪强度后，断面尺寸的增加对渠坡稳定安全系数影响不大。但是断面尺寸增加，将有利于水泥搅拌桩的抗倾覆稳定。

图6 搅拌桩B=0.6m正常运行工况下渠坡稳定安全系数F外=1.806

图8 搅拌桩B=1.8m正常运行工况下渠坡稳定安全系数F外=1.826

（4）浸润线。本工程是填方渠堤，浸润线升高会引起渠堤的渗透稳定破坏，而水泥搅拌桩渗透系数比渠堤填筑料的渗透系数要小，因此增设水泥搅拌桩，会增大渗压力，对桩间土稳定不利。不宜采用连续型式布置抗滑桩，故本工程水泥搅拌桩采用非连续形式。工程为降低浸润线，

在两组搅拌桩之间设置排水体。排水体宽度为0.6m，内填中粗砂，外接浆砌石贴坡排水，中粗砂夯实后的相对密度不小于0.7。

5 结论

工程最后结合影响水泥搅拌桩支护效果因素的分析，并根据各渠段的坡高、坡比和地质条件，初步确定各渠段水泥搅拌桩的长度、断面尺寸、桩间距。洪水综合影响等级高重点渠段，适当加长水泥搅拌桩的桩长和减小桩间距，提高渠坡稳定安全系数。结果见表1。

表1 洪水综合影响等级高渠堤水泥搅拌桩布置表

本文主要通过有限元软件研究了抗滑桩在高渠坡的边坡稳定的影响因素研究，抗滑桩作为边坡，堤防，渠堤等的支挡结构，具有施工快、安全可靠等优点，在基础建设领域的边坡加固中得到广泛应用。通过文章的研究表明增大水泥搅拌桩的桩长和断面尺寸，减小桩间距将有利于水泥搅拌桩的加固效果，但将会增加工程投资。同时在使用水泥搅拌桩作为抗滑桩以后会引起渠坡堤防等的浸润线的变化，应分析确定对实际工程的影响合理确定抗滑桩的设计参数。文章的研究将为以后的工程提供参考。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.019

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张飞（1987年—），男，助理工程师。