采用折减法分析抗滑桩对土质稳定性影响

乔恩春

（新疆维吾尔自治区昌吉回族州昌吉市三屯河流域管理处，新疆 昌吉 831100）

采用折减法分析抗滑桩对土质稳定性影响

乔恩春

（新疆维吾尔自治区昌吉回族州昌吉市三屯河流域管理处，新疆 昌吉 831100）

通过安全系数确定抗滑桩的最优加固位置，计算了抗滑桩承受的最大剪力和最大弯矩，从而确定抗滑桩的最优加固部位。结果表明：低位抗滑桩加固效果最好，稳定安全系数提高了18%，此时抗滑桩承受的剪力和弯矩最大，边坡破坏时，滑裂面位于抗滑桩底部，抗滑桩保持完好。计算结果对类似边坡工程中抗滑桩的优化设计有一定参考价值。

抗滑桩；局部强度折减法；边坡；安全系数

抗滑桩是边坡工程中常采用的加固措施之一，具有施工简单、工程量少和投资小等优点，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，增加边坡的整体稳定性［1-3］。

近年来，国内大量专家学者针对抗滑桩在边坡工程中的运用进行了大量研究，并取得了丰硕成果。郑颖人等［4］针对抗滑桩加固边坡设计中抗滑桩内力进行计算分析，确定了合理的抗滑桩桩长；李荣建等［5］通过建立抗滑桩室内试验模型，研究了地震作用下土质边坡中部与顶部抗滑桩作用下边坡的变形特征；张璐等［6］基于点安全系数基本理论，分析了不同屈服准则对确定滑动面位置的影响，研究了抗滑桩不同埋深时潜在滑动面的变化趋势和边坡变形特点；楼金其［7］采用抗剪强度折减有限元法，利用FLAC3D对含有抗滑桩的边坡进行三维数值有限元计算，从安全系数、位移量、最大不平衡力、剪切应变增量及速度矢量等参数分析抗滑桩对边坡的加固效果。

目前，已有的抗滑桩研究均未考虑抗滑桩加固位置对边坡稳定性的影响。本文基于有限元局部强度折减法，采用桩单元模拟抗滑桩，对土质边坡进行抗滑桩加固数值模拟分析，比较分析不同抗滑桩加固位置边坡的滑裂面，通过安全系数确定抗滑桩的最优加固位置，并分析抗滑桩剪力和弯矩分布情况，以此确定抗滑桩最优加固部位。

1 局部强度折减法简介

目前，边坡的稳定性分析主要包括刚体极限平衡法和数值分析法。其中，刚体极限平衡法主要包括瑞典条分法、Bishop条分法和Sarma法等。刚体极限平衡法的基本出发点是把岩块视为一个刚体，刚体是一种理想模型，在运动中和受力作用后，形状和大小不变，为了便于计算需提前作一些假定，比如忽略了岩土体之间的应力应变关系，因而这种建立在刚体极限平衡理论上的稳定分析方法无法定量分析边坡在失稳过程中岩体的应力应变特性，在真实边坡稳定性计算中存在不足。相对于极限平衡法，数值分析方法不需要事先假定危险滑裂面，可以自动计算最危险的位置，并能够比较好地处理岩体的不连续性、不均匀性、各向异性等特性。数值分析法能够得到边坡的应力、应变和位移变化情况，可模拟边坡工程中岩体开挖和加固结构之间的相互作用，还可以预测滑坡的破坏规模及滑坡运动后期演化趋势，对于防灾减灾工程建设具有重大意义。

数值分析法计算边坡稳定主要是采用了有限元强度折减法，即通过不断降低边坡岩体抗剪强度参数，将岩土体的真实抗剪强度（一般指黏聚力和内摩擦角）除以一个折减系数F，直到有限元计算不收敛为止，根据有限元计算结果可得到边坡危险滑动面，此时的折减系数为边坡的安全系数［7，8］，此法由于计算原理简单，结果可靠，已经广泛用于边坡的稳定性计算中。其计算公式为：

式中 c和φ为岩土体真实的黏聚力和内摩擦角；c′和φ′为经过折减后的黏聚力和内摩擦角。

分析可知，有限元强度折减法考虑了对所有岩土体单元强度折减，与实际不相符合。为更加准确地描述边坡的破环过程，本文采用只对滑裂面强度参数进行折减的局部强度折减法，即在对土质边坡进行稳定性分析过程中，仅通过不断折减滑裂面的面岩土力学参数达到不稳定状态计算安全系数，计算过程中其余部位岩体力学参数保持不变。

2 计算模型及计算参数

为分析相同岩土体条件下不同抗滑桩位置对边坡稳定性的影响，建立了二维土质边坡模型，其中土质边坡模型为均质土坡，土体材料为粉质黏土（如图1为Ⅲ类岩体）。计算模型长100m，宽60m，边坡坡高45m，坡角34°，岩体物理力学参数如表1。

图1 土质边坡模型

表1 边坡岩体力学参数

模型中抗滑桩采用桩单元模拟，选用弹性材料，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（kN/m），抗弯刚度EI表示单位宽度力乘长度的平方（kN·m2/m）。根据EI对EA的比值，可按式（3）自动计算出抗滑桩等效厚度d：

计算模型中抗滑桩长均取20m，轴向刚度EA为2.1×106kN/m，抗弯刚度EI为3.74×105kN·m2/m，根据式（3）换算可得抗滑桩等效直径d为1.5m，泊松比取0.2。抗滑桩与边坡岩体之间的相互作用采用接触单元模拟，摩擦系数取0.38。

3 边坡稳定性计算结果

图2 不同桩位加固土质边坡危险滑裂面

为分析土质边坡模型中，抗滑桩不同加固位置对边坡稳定性的影响，图2给出了抗滑桩不同桩位边坡的危险滑裂面。其中图2（a）为土质边坡自然状态下的危险滑裂面，计算得到边坡稳定安全系数仅为1.01，稳定性较差，需进行加固处理。图2（b，c，d）分别为边坡采用高位、中位和低位抗滑桩加固后土坡的危险滑裂面，明显看出，加固后的滑裂面为通过抗滑桩底部的一个圆弧面，此时抗滑桩保持完整，并未破坏。

图2（b，c，d）3种桩位加固后土坡的安全系数（Fs）分别为1.04，1.06，1.19，说明高位桩和中位桩加固效果较差，而低位抗滑桩加固效果最好，安全系数提高了18%。究其原因，分析图2（d）可知，是由于低位抗滑桩桩体有效长度更长，桩体插入原始坡体的危险滑裂面以下一定深度内，抗滑桩能有效的平衡边坡自然状态下滑坡体的下滑力，桩体抗滑力充分发挥了作用，有效地提高了边坡的整体稳定性。

表2中给出了土质边坡中抗滑桩不同加固位置桩体的最大剪力和最大弯矩，分析可得，高位桩的最大剪力和最大弯矩最小，其次是中位桩，而低位桩承受了最大剪力和最大弯矩，分别为571kN和1040kN·m，说明低位桩加固效果最好，与上述安全系数分析结果相同，计算结果符合实际工程。

表2 不同桩位最大剪力和最大弯矩

4 结语

采用数值分析法定量研究了抗滑桩不同加固部位对土质边坡稳定性的影响，得到了不同加固抗滑桩加固位置边坡的潜在滑裂面，通过安全系数确定抗滑桩的最优加固位置，并结合抗滑桩承受的最大剪力和弯矩情况，确定了抗滑桩最优加固位置。结果表明：土质边坡采用低位桩加固效果最好，稳定安全系数可提高18%，此时抗滑桩承受的剪力和弯矩最大，边坡破坏时，滑裂面位于抗滑桩底部，抗滑桩保持完好。

［1］郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］皱丽春，王国进，汤献良，等.复杂高边坡整治理论与工程实践［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］雷文杰，郑颖人，冯夏庭.滑坡加固系统中沉埋桩的有限元极限分析研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（1）：27-33.

［4］郑颖人，雷文杰，赵尚毅，等.抗滑桩设计中的两个问题［J］.公路交通科技，2005，22（6）：45-51.

［5］李荣建，于玉贞，李广信.土质边坡中部与顶部抗滑桩动力响应和边坡变形比较［J］.山地学报，2010，28（2）：135-140.

［6］张璐，任旭华，张继勋，等.考虑抗滑桩埋深的边坡抗滑机理研究［J］.水电能源科学，2012，30（4）：73-75.

［7］楼金其.抗滑桩加固岩质边坡稳定性的数值模拟分析［J］.铁道建筑，2012（5）：120-122.

［8］郑颖人，赵尚毅，张鲁渝.用有限元强度折减法进行边坡稳定分析［J］.中国工程科学，2002，4（10）：57-62.

（责任编辑：王艳肖）

Influence analysis of anti-slide pile on slope soil reinforced based on local strength reduction method

QIAO En-chun
（Xinjiang Changji San Tun River Basin Management Office，Changji 831100，China）

Though the safety factor，the maximum shear and maximum bending moment of anti slide pile is calculated，the optimal position of anti slide pile reinforcement is determined.The results show that the reinforcement effect of anti slide pile low is the best in a low position，the safety coefficient is increased by 18%，and the shear force and bending moment of anti slide pile is maximum，the slip surface is located in the lower part of the anti slide pile as slope was damaged，and anti slide pile remained intact.The results of calculation have certain reference value for the optimization design of anti slide piles in similar slope engineering.

anti slide pile；local strength reduction method；slope；safety factor

TU457

：B

：1672-9900（2017）02-0024-03

2017-03-08

乔恩春（1975－），女（汉族），新疆昌吉人，工程师，主要从事水利工程的管理工作，（Tel）17355253212。