基于Plaxis的某岩质边坡抗滑桩加固稳定性数值分析

黄云浩

（辽宁省石佛寺水库管理局 辽宁 沈阳 110166）

1 前言

目前，水利工程建设中边坡的安全问题日益突出，特别是含有复杂结构面的岩质边坡的稳定性问题，更是水利水电工程中的研究重点和难点，对于此类岩质边坡常采用抗滑桩进行加固处理[1-3]。抗滑桩具有施工方便、工程量少和投资小等优点，是边坡工程中常采用的加固措施之一，应用较为广泛。抗滑桩对滑坡体的作用机理是利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层对桩的抗力来平衡滑坡体的推力，从而增加边坡的整体稳定性，满足设计要求[4-8]。

本文基于专业岩土软件Plaxis，采用软件中自带的板单元模拟抗滑桩，对含有软弱夹层的某岩质边坡进行抗滑桩加固数值模拟分析计算，计算考虑了不加固和加固两种工况，分别得到了不同工况下边坡的稳定安全系数、塑性区范围和危险滑裂面，为边坡工程的稳定性分析评价提供可靠依据。

2 计算方法简介

Plaxis软件是采用有限元强度折减法分析计算边坡的稳定性问题，此法考虑了对边坡所有岩体的强度进行折减，而实际岩质边坡稳定性问题主要受结构面控制，整体折减法计算结果并不准确。因此，本文基于有限元强度折减法基本理论，采用局部强度折减法，仅将坡体结构面岩体的抗剪强度除以一个折减系数Fs，以达到强度折减的目的，直到有限元计算不收敛为止，并结合塑性区是否贯通和是否发生较大位移进行分析判定，根据弹塑性有限元计算结果得到边坡危险滑动面，此时的折减系数Fs即为边坡的稳定安全系数[9-11]。局部强度折减法相比于传统整体强度折减法，只考虑对结构面强度参数的折减，更符合工程实际。边坡岩体采用Mohr-Coulomb破坏准则，局部强度折减法计算公式为：

式中，c和φ为结构面的粘聚力和内摩擦角；c'和φ'为折减后的粘聚力和内摩擦角；Fs为强度折减系数。

3 有限元计算过程

东风水库位于湖南省隆回县西洋江镇远山村，距隆回县城52km，距西洋江镇12km，水库总库容788万m3。库区两岸大部分为斜坡山地，河流阶地不发育，库岸主要为高陡岩质边坡，坡角为30°～35°，岩性以Ⅲ类岩体为主。边坡内部含有一条贯通的软弱夹层，导致水库边坡稳定性较差，需对其进行加固处理。

选取水库典型断面，通过CAD软件建立含有软弱夹层的岩质边坡二维模型，导入Plaxis中，进行网格划分。为提高计算精度，对软弱结构面附近岩体进行网格加密处理。岩质边坡CAD模型见图1，岩体材料为Ⅲ类岩体，有限元网格及边界条件如图2所示。计算模型长100m，宽60m，边坡坡高45m，坡角 34°。模型建好后，需对边坡岩土参数进行选取，计算参数的选取将直接影响计算结果的精度。根据现场试验和室内试验数据，不断修正岩土计算参数，得到边坡岩体力学参数，如表1所示。

采用Plaxis软件中自带的板单元模拟抗滑桩，选用弹性材料模拟，主要参数包括轴向刚度EA和抗弯刚度EI，轴向刚度EA表示为抗滑桩单位宽度受力，单位kN/m，抗弯刚度EI表示单位宽度力乘长度的平方，单位kN·m2/m。根据EI对EA的比值，可以按下式自动计算出抗滑桩等效厚度d：

图1 岩质边坡加固模型

图2 边坡有限元网格模型及边界条件

表1 边坡岩体力学参数

图3 坡脚点水平位移随折减系数变化

图4 不同工况下岩质边坡破坏情况

图5 不同工况边坡塑性点和拉断点

图6 抗滑桩剪力分布,最大值4170kN

图7 抗滑桩弯矩分布,最大值3080 kN·m

计算模型中抗滑桩长20m，轴向刚度EA为 2×106 kN/m，抗弯刚度 EI为8000kN·m2/m，换算可得抗滑桩等效厚度d为0.22m，泊松比取0.18。抗滑桩与边坡岩土体之间的相互作用采用软件中的界面单元模拟。

4 岩质边坡稳定性计算结果分析

4.1 稳定安全系数分析

安全系数的大小直接反映了边坡整体稳定性高低。本文采用局部强度折减法，不断折减软弱结构面抗剪强度参数，通过反复迭代试算，并监测坡脚位置的水平位移变化情况，得到了坡脚点水平位移随折减系数的变化情况，如图3所示。分析图3可知，边坡不加固时，折减系数为1.25时位移发生突变，此时可认为边坡开始滑裂破坏，得到边坡自然条件下安全系数为1.25；而当边坡采用抗滑桩加固后，折减系数为1.80时才发生位移突变，即加固后边坡的安全系数为1.80。

为进一步分析岩质边坡不加固和加固工况的破坏情况，图4给出了两种工况下边坡的破坏情况，其中图4（a）为岩质边坡自然状态下的危险滑裂面，可以看出岩质边坡破坏时是沿着软弱结构面发生剪切破坏，此时边坡的稳定安全系数仅为1.25，边坡稳定性差，存在滑坡的可能，需及时采取相应的加固措施。而图4（b）为抗滑桩加固后的边坡破坏图，此时边坡稳定安全系数达1.80，说明抗滑桩加固后，边坡整体稳定性得到较大提升，抗滑桩加固效果比较明显。

4.2 边坡塑性点和拉断点分析

边坡的塑性区是否贯通常用于判定边坡是否能保持自身稳定，而拉断点范围则反映了岩土体受拉破坏的程度。利用Plaxis后处理工具导出了两种工况边坡的塑性点和拉断破坏点分布范围，如图5所示，图中红色点和白色点分别代表塑性点和拉断点。分析图5(a)可知，不加固时，边坡塑性区贯通软弱夹层，且由于软弱夹层内岩土体不具有抗拉强度，内部部分岩体将受拉并发生破坏，边坡稳定性较差，与上述稳定安全系数分析吻合；分析图5(b)可知，当边坡采用抗滑桩加固后，抗滑桩将滑坡体和基岩连接成一个整体，边坡软弱结构面内塑性区范围大大减少，仅存在少数塑性点分布在软弱夹层内部，而拉断破坏点将基本消失。分析结果表明，边坡采用抗滑桩加固后，可有效的减少软弱夹层内部岩体的塑性区和拉破坏点分布范围。

4.3 抗滑桩剪力和弯矩分析

为进一步分析抗滑桩加固边坡后桩体的受力情况，下图6和图7分别给出了岩质边坡模型中抗滑桩桩体的剪力和弯矩分布范围。分析可知，抗滑桩剪力最大为4170 kN，而弯矩最大值为3080 kN·m，均未超过抗滑桩的允许值，且最大值发生在抗滑桩中部偏下位置，恰好位于软弱夹层带与抗滑桩的交汇处，并出现局部应力集中现象。另外，根据剪力和弯矩分布范围分析可知：抗滑桩有效长度约为桩体中部，仅占桩体总长的1/2左右，上部和下部桩体部位仅承受很小的剪力和弯矩，说明抗滑桩上部和下部未能充分利用。因此，在具体施工过程中，建议采用下沉埋桩和减小桩长的施工工艺，即桩体埋入岩土体一定深度范围内，这样既能够保证边坡的稳定，又能减少桩长，节约加固成本。

以上计算结果与实际情况比较吻合，加固前边坡受软弱夹层影响，稳定性较差，安全系数仅为1.25，加固后安全系数增至1.80，边坡稳定性得到提高。计算中抗滑桩的加固参数以及剪力弯矩大小，均满足工程设计要求，未超过抗滑桩的允许值，说明本文采用Plaxis模拟抗滑桩加固岩质边坡是可行的，计算结果较为合理。

5 结论

本文基于有限元岩土软件Plaxis，采用局部强度折减法对某含有软弱夹层的岩质边坡进行了抗滑桩加固数值模拟计算，局部强度折减法仅考虑对结构面的强度参数进行折减，计算结果更加准确。

数值模拟计算结果表明：Plaxis中的板单元能较好地模拟抗滑桩对边坡的加固作用，通过有限元强度折减法可以得到不同工况边坡的稳定安全系数；并根据边坡的塑性点和拉破坏点分布情况能够准确的反映边坡的破坏机理和破坏模式，自动搜索得到边坡危险滑裂面；结合抗滑桩剪力和弯矩分布情况，可以优化抗滑桩的各项加固参数，节约成本，为类似边坡工程的加固处理提供技术支持。陕西水利

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