重庆机场专用快速路某匝道抗滑桩工程效果的有限元后评价

摘要：文章对重庆机场专用快速路某匝道K0+020段路堑边坡抗滑桩采用MIDAS GTS有限元软件进行分析，将滑坡与抗滑结构相互作用作为整体，研究了边坡水平位移、塑性区、桩体水平位移、弯矩与剪力，并比较了不同位置抗滑桩的加固效果与桩身内力。结果表明，现有抗滑桩具有良好的稳定边坡作用。

关键词：抗滑桩；有限元分析；工程效果后评价；滑坡特征；道路工程 文献标识码：A

中图分类号：U412 文章编号：1009-2374（2017）06-0001-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.001

1 概述

抗滑桩治理滑坡在国内最早应用于1954年宝成线史家坝4号隧道，其出口左侧由于灰岩边坡导致的顺层坍塌，采用钢筋混凝土榫治理，但是此时仅考虑了抗剪作用。1965年，川黔线采用了沉井及打入式管桩，锚固深度按材料力学方法确定。之后抗滑桩在铁路、公路、厂矿等土木工程滑坡治理中得到了广泛应用，铁二院等单位深入研究了抗滑桩的设计及计算理论，其成果已被选入《铁路路基支挡结构物设计规则》（TBJ 25-90）。

现有的抗滑桩设计方法主要有压力法、位移法与有限元法。压力法以弹性地基梁为力学模型，计算抗滑桩的内力及位移。位移法假设土体的侧向位移完全施加于桩上，采用地基反力法分析桩-土相互作用，计算抗滑桩的内力及位移。相较于上述两种方法，有限元法能够靠考虑到桩-土的协调作用，并可以模拟复杂滑坡，因此有限元法更符合实际工程情况。本文针对重庆机场专用快速路某匝道K0+000～K0+048段右侧第二级边坡设立的抗滑桩，结合现场调研，考虑桩-土相互作用，对边坡整体稳定分析、抗滑桩桩体位移、桩身弯矩、剪力进行分析，对其治理效果做出评价。

2 滑坡特征及治理工程概况

2.1 滑坡地区地貌及地质条件

该匝道位于一回填区域，总体坡角为3°～5°，上覆土层主要为杂填土，局部段分布有素填土、卵石土，厚度为0.7～6.2m，下伏基岩主要为砂质泥岩。对土质边坡部分，由于本段匝道右侧具备放坡条件，对其按照1∶1.75的坡率进行放坡处理；对于岩质边坡部分，其走向264°～300°，倾向174°～210°，边坡基岩以砂质泥岩为主，裂隙与边坡的组合关系见图1。本边坡为切向坡，J2裂隙为外倾结构面，若直立切坡，则J2裂隙同边坡倾向一致且临空（倾角84°），本边坡可能发生裂隙切割体沿外倾的J2裂隙滑塌。边坡岩体类型为Ⅲ类，岩体等效内摩擦角55°，破裂角60.5°。

2.2 工程治理措施

K0+000～K0+048段右侧第二级边坡，长48m，距离道路中心线24.59～34.87m设置9根锚固桩，桩长9.0～10.0m，截面尺寸为1.25m×1.50m（桩长边方向垂直线路），桩间距6m，桩身采用C35砼浇筑。

3 计算模型建立

选取K0+020段的横断面的抗滑桩为计算对象。设计桩长为10m。采用平面应变按1∶1的实体比例建立平面几何图形；坡角、滑面位置、抗滑桩依据滑坡工程地质勘察和设计资料得到，主要针对最危险的中层滑动面来评价加固效果。一级边坡坡度为1∶1，二、三级边坡均为1∶1.75。

3.1 模型假设

本文在研究过程中采用如下假定：（1）平面应变假定。假定岩土体为水平方向无限伸展，各层之间相互独立；（2）岩土土体均质，为各向同性体，土体直接覆盖于基岩之上；（3）岩土体为非线性材料，满足Mohr-Coulomb准则；（4）抗滑桩为均质线弹性材料；（5）下滑力由抗滑桩及桩前土体抗力承担。

3.2 材料参数与模型建立

材料参数详见表1，边坡截面见圖2。

对图2横断面建模，采用实体单元模拟岩土体，梁单元模拟抗滑桩。Midas GTS建立模型如图3所示：

4 计算结果分析

4.1 边坡稳定性分析

采用强度折减法对未支护边坡进行分析，在仅考虑重力的条件下，采用强度折减法通过Midas GTS分析，其安全系数仅有1.236，边坡塑性区与X方向位移如图4和图5所示：

从等效塑性应变图中可以看到明显的圆弧形滑动面，并且该滑动面已经与坡顶贯通。同时从塑性应变图看到滑动面基本与岩土分界线重合，这与实际情况是相符的。在X方向位移云图中，X方向位移最大集中于二级边坡处，坐标范围为382.769（X）～426.038（X）。

4.2 抗滑桩边坡稳定性分析

根据K0+020横断面设计图纸，在距离道路中线27.23m处设立单排抗滑桩，即抗滑桩位于一级边坡中部位置，桩长10m，桩身截面为矩形（1.5m×2.5m）。采用强度折减法，利用Midas GTS计算，设立抗滑桩后该边坡安全系数提升为1.403。边坡塑性区与X方向位移如图6和图7所示：

从图6看到设立抗滑桩后，整体滑动面相对于抗滑桩向后移动，滑动面滑出点上移至二级边坡坡顶处附近，滑出点位置无明显变化。图7中塑性区从抗滑桩位置断开，并且土体塑性区范围相对于未布置抗滑桩时（图4）缩小了。因此，设立了抗滑桩后该段边坡稳定性得到了显著加强，符合多级路堑边坡安全系数大于1.3的设计要求。

4.3 抗滑桩桩体内力变形分析

桩体位移如图8所示，可以看到桩顶位移最大为5.381mm。当X>4m时，桩体水平位移变化速率明显变快；而X<4m时，桩体水平位移变化速率减慢。这是由于X=4m时恰好是岩层与土层分界线，桩体位于基岩下时，由于基岩的嵌固作用，导致桩体位移水平位移增速减缓。

图9为桩身弯矩分布图，图中弯矩受拉侧为正。弯矩最大处位于滑动面以下2m处左右为547.841kN·m，桩体两端弯矩均为0。

图10为桩身剪力分布图，剪力最大处位于滑动面以下2m左右为-212.83kN，桩体顶端剪力为零，末端剪力为40kN。

根据桩身的受力与变形情况，通过结构计算软件校核桩身配筋，其配筋量是满足规范的。

4.4 抗滑桩位置调整

陈乐求等认为抗滑桩设置的位置不同对边坡稳定有很大影响，随着抗滑桩距坡脚距离的增加，边坡安全系数呈现先增大后减小的趋势。根据董必昌等的研究，在边坡塑性应变最大处设置抗滑桩能够有效改变边坡塑性区分布，提高边坡安全系数。在此基础上，将原重庆机场专用快速路某匝道设置的抗滑桩位置进行调整，移至未设置抗滑桩边坡塑性应变最大处。边坡整体安全系数增大为1.541。边坡水平位移与等效塑性应变云图见图11、图12。

图11中可以看到桩后塑性区范围比抗滑桩位置调整前的塑性区明显减小，并且塑性区已有了断开趋势，但是桩前土已经开始出现塑性变形。图12中桩后土产生水平位移的土体相较于图7中的范围有了减小。抗滑桩位置调整前后的边坡水平位移与等效塑性应变值对比见表2：

从表2中可以看到，抗滑桩位置移至等效塑性应变最大处后，边坡安全系数变大，同时边坡水平位移最大值也减小了，但是塑性应变最大值略有增加。总体来说，调整位置后的抗滑桩对增强了边坡整体稳定，这与董必昌等的研究是一致的。

调整位置后的抗滑桩桩体内力及变形见图13、图14、图15。对比未调整前的抗滑桩，桩体最大水平位移、最大弯矩与最大剪力均有上升，且最大弯矩与最大剪力位置均发生了变化，这是由于岩土分界面的位置相对于桩体向下移动了。

从上表可以看出，调整桩体后水平位移、弯矩与剪力是抗滑桩未调整前的两倍，需要相应增加桩体本身的强度来平衡增大的外荷载。虽然边坡的安全系数从1.403增加到了1.541，但是对桩体自身强度要求提高了，相对于增加的0.1的安全系数，随之带来的可能是施工难度的提高与造价的提升，因此原设计的抗滑桩位置从安全、施工及经济考虑是合理的。

因此对于抗滑桩位置的选择，不能单一地以边坡安全系数为指标，应该综合多方面因素考虑，在保证安全的同时兼顾施工可行性与经济性，选择最优方案。

5 结语

（1）本文通过有限元分析了重庆机场专用快速路某匝道K0+020段路堑边坡的稳定性，同時对抗滑桩的加固效果进行评价，现有抗滑桩是具有良好加固与抗滑效果的；（2）将抗滑桩位置移动到塑性应变最大处后，虽然提高了边坡安全系数，但是桩体本身将承受更大外力，给施工增加了一定难度并且经济性也不高。考虑到现有抗滑桩的安全系数已经满足要求，因此抗滑桩并无上移必要。

参考文献

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作者简介：游泳（1987-），男，四川简阳人，重庆市交通规划勘测设计院工程师，研究方向：岩土。

（责任编辑：黄银芳）