地震作用下桩锚组合结构加固边坡稳定性分析

陈旭元

（江苏工程职业技术学院建筑工程学院，江苏 南通 226300）

1 桩锚组合结构加固边坡的机理

桩锚组合结构，指利用多个桩及锚索，使其与周围岩土连成一体所形成的桩锚结构体系。该体系中所用的锚索，以预应力锚索为主。锚索可与桩一同受力，抵抗导致滑坡的力，达到加固边坡的目的[1]。将该结构应用到边坡加固的过程中，可将被动受力改为主动受力，使边坡的受力方式得到优化。对预应力锚索进行加固，为桩锚组合结构加固边坡的主要阶段之一。

2 地震作用下桩锚组合结构加固边坡稳定性的力学分析

2.1 外力功率

桩锚组合结构应用的过程中，地震力以及滑体的重力，为外力功率的两大主要来源[2]。具体而言，外力功率的计算公式如下：

上述公式中，W 代表外力功率，γ代表滑体的密度，w 代表滑坡发生过程中所产生的角速度，kh 为常数，代表地震系数。将各项参数代入至上述公式中，便可计算出桩锚组合结构的外力功率。而将外力功率的计算结果，与其他力学参数计算结果相结合，便可为桩锚组合结构加固边坡方案的优化提供数据参考。

2.2 内能耗散功率

地震作用下桩锚组合结构加固边坡的过程中，内能耗散与沿滑面内能的耗散，以及预应力锚索功率等因素有关。计算力学参数的过程中，需将滑面土壤的内聚力等参数相互结合，方可达到沿滑面内能耗散的参数。预应力锚索功率的计算过程中，对荷载的计算较为重要，荷载的计算方法如下：

上述公式中，Ti 代表荷载，d 代表锚索钻孔的直径，Li 代表锚索长度，[φ]代表粘结强度，d’则代表两个锚索间的距离。以上述公式为基础，对预应力锚索的荷载进行计算，并以荷载计算结果为基础，对预应力功率以及内能耗散功率进行计算，便可为地震作用下桩锚组合结构加固边坡方案的优化提供支持。

2.3 稳定性系数

本文所述稳定性系数，为边坡的稳定性系数。对该系数进行计算时，应充分考虑到极限分析上限定理。边坡稳定性系数的计算公式如下：

上述公式中，K 代表系数，D 代表内能耗散。各项参数代入后，如计算结果显示K≥1，则代表边坡稳定[3]。如能够严格按照设计方案施工，则能够有效确保施工安全，降低滑坡问题的发生几率。反之，如K＜1，则代表边坡稳定性不达标。实际施工过程中，边坡需以排为单位进行加固。为取得满意度加固效果，计算参数的过程中，应考虑到单个抗滑桩所提供的抗力的大小。

2.4 屈服地震加速度

地震作用下桩锚组合结构加固边坡的过程中，屈服地震加速度的大小，同样会对加固效果造成影响。为改善加固效果，应首先借助极限分析上限定理，对屈服地震加速度参数进行计算。通常情况下，计算该参数时，应考虑到外力功率、内能耗散等。参数的具体计算公式如下：

Ac=Kcg

上述公式中，Ac 代表屈服地震加速度。

Kc=min[Kc（ζo，ζh，ζp，ζi，β’）]

得到上述参数的计算结果后，便可计算出屈服地震加速度的参数。

2.5 永久性位移

永久性位移的数值，是地震作用下桩锚组合结构加固边坡过程中需要考虑的主要问题之一。工程施工经验显示，当地震加速度a 的数值较Ac 高时，边坡坡体产生永久位移的风险将明显提高。将地震系数K 纳入到永久性位移的计算中，可得到滑体转动的角速度，得到该参数后，将滑体土的重量、力臂等纳入到计算过程中，即可得到永久转角，从而获得永久性位移数值的计算结果。

3 地震作用下桩锚组合结构加固边坡稳定性的工程实例

3.1 工程概况

本工程为公路边坡加固工程，工程位于我国地震多发区域。受地震以及降雨的影响，边坡现已出现了大面积裂缝，挡墙现已无法使用。进一步观察发现，工程地表正处于变形期间，且变形问题逐渐加重。为加固边坡，本工程对当地的地质情况进行了勘察，结果显示，该公路边坡目前已失去稳定性，如未对其进行处理，一旦发生地震，滑坡的问题必然发生，而边坡下缘的公路同样会因此而堵塞，对交通的畅通性造成影响。可见，及时解决边坡稳定性问题较为重要。本工程发生滑坡的边坡，坡体为70m，高度为30m，地形较陡峭。一定数量植物的生长，有助于确保边坡稳定，但本边坡坡面无植物发育，因此，地表水难以渗透至土壤中。

3.2 加固方法

3.2.1 参数计算

明确相应的力学参数，是对滑坡进行治理、提高边坡稳定性的主要途径。本工程中，锚索垂直距离与水平距离，均为4m。锚索与滑体之间的粘结强度为65kPa，倾角为20°，坡体高度为20m，容重为20kN/m3。将上述已知参数代入至外力功率、内能耗散功率、稳定性系数、屈服地震加速度、永久性位移等参数的计算公式中，便可得到相应的计算结果。本工程中，根据边坡的坡角的不同，地震系数同样存在一定的差异。当坡角为30°时，地震参数为0.1，坡角为45°时，地震参数为0.15，坡角为60°时，地震参数为0.2。进一步计算发现，随着地震系数的增加，滑坡面积同样明显提升，两者呈显著正相关。但边坡的坡角增加时，滑体土的体积同样会明显增加。可见，适当减小坡角，可在一定程度上预防滑坡。

3.2.2 加固方案优化

为提高地震作用下桩锚组合结构加固边坡的有效性，提升边坡的稳定性，本工程以参数计算结果为基础，对加固方案进行了优化。具体方案如下：（1）坡面处理：本工程在降低坡角的基础上，将黏土回填技术应用到了加固过程中，并对其进行了夯实，一定程度上提升了边坡的稳定性。为预防水土流失，工程采用水泥砂浆对边坡坡面进行了抹平，并对滑坡部分进行了反压。（2）桩：本工程桩浇筑所用的混凝土，强度以C30 为主，共40m3，采用II 类碎石浇筑，稳定性较强。（3）横梁：边坡加固的过程中，施工人员可采用钢筋混凝土作为主要材料，对横梁进行施工。本工程横梁长度为60m，可有效满足工程的施工需求。（4）锚索：本工程单根锚索长度为13.5m，可与横梁连接。

3.3 加固成果

为评估地震作用下桩锚组合结构加固边坡的效果，本工程于施工完成后，对边坡的稳定性进行了检验。结果显示，工程施工质量达标，边坡的稳定性等参数可达到设计要求。

4 结论

综上所述，本工程在计算相关参数的情况下，将桩锚组合结构应用到了边坡加固的过程中，不仅提高了边坡的稳定性，且延长了边坡的使用寿命，取得了良好的效果。未来，建议各地震多发区域的水利、公路等工程，以本工程为参考，从外力功率、内能耗散功率、稳定性系数等方面出发，对工程力学参数进行计算，在此基础上展开施工，为边坡施工质量的提升奠定基础。