抗滑桩预加固边坡的能量分析研究

宋迎军

(贵州桥梁建设集团有限责任公司)

抗滑桩是建设工程中常用的一种结构，主要用于边坡加固，是将桩插入到滑动面或者潜在滑动面以下的稳定地层中，使用稳定地层岩土锚固作用来抵抗下滑推力，据此稳定滑体或者潜在滑体的一种技术，抗滑桩的设置能够明显提高滑体的抗滑性能，是提高整体稳定性的必要措施。本研究结合强度折减技术以及极限分析上限理论，讨论了一种基于失稳状态能耗最小原理的抗滑桩加固方法，采用内点优化方法进行优化参数分析，研究抗滑桩加固措施下边坡的稳定性特征，建立了抗滑桩预加固边坡上限破坏形式，是一种比较准确的抗滑桩能量分析方法。

1 抗滑桩预加固边坡稳定性能量分析

1.1 破坏模式

如果考虑单根抗滑桩的加固效应，边坡破坏面可视作螺旋结构进行分析。实际应用中，需要重点考虑桩侧有效土压力分布模式，有水平方向、平行滑裂面切线方向两种分布模式。

1.2 能耗计算

简单边坡如果抗滑桩预加固不会对边坡潜在滑动面状态产生影响，考虑自重，依据能量分析方法破坏机构能耗计算主要有重力做功、抗滑桩抗力做功和滑动面能量耗散三方面，其计算公式如下

式中:r0为OB 长度;γ 为岩土重度;Ω 为角速度;f1～f4为相关函数，不表。

内部损耗能够由损耗面微分面积和粘聚力以及切向间断速度连乘得到，其总内部能量损耗为

借助桩侧有效土压力分布模式计算抗滑桩阻力，选择上限法破坏模式和有效土压力和切线方向平行的分布模式，考虑有效土对桩的弯矩效应，其他桩侧的有效土压力分布模式下抗滑桩阻力作用使用同样的方法也可获得。

抗滑桩距离坡趾一定水平距离下，任意抗滑桩位置都满足

桩侧土压力和滑面作用模式平行的作用方式下，通过建立上限破坏模式，就能够计算抗滑桩提供抗滑力和与之对应的弯矩M 的外力功。

2 稳定性分析

2.1 强度折减

在边坡稳定性问题中，安全系数的定义尚未统一，公认的主要有如下三种:

(1)基于强度储备的安全系数;

(2)超载储备安全系数;

(3)下滑力超载储备安全系数。

Zienkiewicz 关于抗剪强度折减系数的定义是:恒定外部载荷条件下，边坡土体能够发挥的最大抗剪强度和外部载荷产生边坡内实际剪应力之比。Duncan 则在1996年提出，Fs就是稳定状态下边坡失稳情况下的抗剪强度折减系数

式中:Fs为抗剪强度折减系数。

强度折减是在土体参数(c，φ)值上除以一个折减系数，并将其作为材料核算参数。边坡临界状态下，边坡将发生破坏，岩土体也将产生剪切破坏。

2.2 桩侧有效土压力上限解答

为了提高边坡稳定性系数到一个确定的安全系数值，可进行边坡原始抗剪强度折减，仍然通过上限方法计算能耗，可以最终获得抗滑桩桩侧的有效抗力

式中:cf=c/Fs;Φf为arctan(tan(φ/Fs));f1、f2、f3、f4为使用

按照极限分析上限定理，式(5)就是边坡稳定性安全系数极值，桩侧有效抗力上限的优化工作就是抗滑桩方案的设计工作，抗滑桩有效土压力的无量纲形式

式(6)给出了满足设计要求的边坡安全系数和单位宽度上抗滑桩需要提供抗滑合力。为了准确确定抗滑桩需要抗滑力，同时充分考虑桩间土土拱效应。

2.3 安全系数计算

按照上限法能耗计算过程，施加和内能耗相当的外载荷，按照上一节分析过程折减原始强度指标，使折减后边坡临界自稳高度和原始高度相同，从而获得提供一定有效桩侧抗力的抗滑桩加固边坡安全系数

式(7)即为极限分析上限定理推导获得的抗滑桩预加固情况下的边坡稳定性安全系数解。但是该式中的安全系数其实是一个隐函数，需要通过进一步的迭代运算来进行优化计算。

3 参数优化

工程经验和理论经验均表明，抗滑桩的设计方案会对岩土边坡稳定性产生显著影响，为了提高抗滑桩的最佳加固效果，通过失稳状态能量最小原理就能够指导进行抗滑桩的设计优化工作。桩身设计参数既定的情况下，调整抗滑桩到最佳位置，是为了能够获得最大的边坡稳定安全系数，也可以在设计安全系数一定的情况下通过抗滑桩位置的优化来降低抗滑桩承受的有效抗力。传统的分析方法中过分重视最佳位置的确定，充分考虑到了抗滑桩进行边坡加固的整体稳定性，但是对边坡可能出现的局部失稳问题研究不足。

使用单根抗滑桩进行边坡加固试验，假定抗滑桩侧有效压力一定。采用考虑和不考虑边坡局部稳定性两种方法进行边坡安全系数计算，对比计算结果。单根抗滑桩加固如果仅考虑边坡整体稳定性，抗滑桩设置位置变动会显著影响边坡安全系数以及临界滑裂面。抗滑桩位置从坡趾逐渐移向坡顶，边坡安全系数越来越小，而从坡趾角逐渐移向坡顶角时，临界滑裂面有变小趋势，而在接近坡顶时又会逐渐加深，说明潜在滑动体和临界滑裂面存在着明显的对应变化规律。

如果使用抗滑桩作为预加固措施，潜在滑裂面的分布对抗滑桩设置长度有着直接影响。忽略局部稳定性问题，抗滑桩设置不同位置，会明显影响临界滑裂面以上桩长，从而对抗滑桩整体长度造成影响。抗滑桩整体长度最终会造成工程造价的升高，所以考虑到抗滑桩设置位置对安全系数和桩长的影响，将其设置在边坡中下部区域是比较合理的。

在工程建设中，如果使用单桩加固边坡，抗滑桩过于接近坡角，可能会因为边坡最危险滑移面上移，从而造成边坡局部失稳，但是实际上应用此方法计算获得的安全系数并不会产生明显变化。出现这种问题，可能的原因是局部失稳机构就是能耗最小机构，抗滑桩加固区域内整体耗能机构会滞后于局部失稳机构发生破坏，在这种情况下考虑局部失稳的边坡安全系数值会产生变化。

如果面临这种问题，一排抗滑桩无法平衡下滑推力，可设置多排抗滑桩。

4 结束语

基于强度折减技术以及极限分析上限理论，应用失稳状态最小原理建立了抗滑桩加固边坡稳定性的能量分析方法，对采用单根抗滑桩加固的边坡整体安全系数和局部失稳之间的矛盾进行了分析，不考虑局部失稳的安全系数不能处理局部滑移问题，对于抗滑桩过于坡角或者坡顶情况，可以通过布设多排抗滑桩进行解决。

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