高边坡不同工况稳定性分析与抗滑桩设计参数优化

■孙廷龄

（福建省交通规划设计院有限公司道桥三院，福州 350004）

1 引言

随着国内工程建设的不断推进，社会经济的不断发展， 带来了数量庞大的亟待解决的边坡工程问题。 若工程处置不当，可能造成滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害， 导致巨大的人员伤亡和财产损失。抗滑桩是一种经济有效的边坡治理技术，大量的工程研究和工程实践表明， 抗滑桩加固边坡具有不易恶化边坡条件、 施工简便、 承载力大等优点，因此在过去几十年中，被广泛用于处理滑坡、高边坡及边坡出现不稳定迹象时的强加固设计中。国内诸多学者对抗滑桩加固边坡、滑坡稳定性进行了相关实践研究[1-3]，研究表明抗滑桩主要通过增加滑坡抗力来加固边坡， 所需的滑坡抗力应能使边坡达到目标安全系数。

实际上，抗滑桩的设计是一个多学科的问题，涉及岩土工程、 结构工程和经济学等多方面的知识， 抗滑桩的设计应作为一个多目标优化问题来进行探讨，应同时考虑边坡的稳定性、桩的承载力和经济性等方面的要求。 因此，本文采用极限平衡法和有限元强度折减法对抗滑桩加固高边坡稳定性进行对比分析，分别计算天然、暴雨2 种不同工况下的稳定性， 同时进行抗滑桩的桩位、桩长参数的优化，以期为今后类似工程设计提供参考和借鉴。

2 高边坡稳定性数值分析

2.1 工程背景

以某高速公路工程高边坡为工程背景，选择桩号K187+350～K187+480 段进行分析。 该段落属于典型的低山丘陵地貌，坡面植被发育完整，滑坡发生在边坡较为平缓的位置，滑坡上部和下部具有较为陡峭的原始地形。滑坡上部边坡自然坡度为22°～25°，下部边坡自然坡度为38°～42°，滑坡位置的自然坡度为8°～12°， 该段落设计边坡坡率为1∶（1.0～1.25）。 滑坡里程桩号为K187+350～K187+460，地面标高在330～365 m， 长度约为110 m， 宽度约为60 m。 在原坡面进行防护施工过程中，由于连续降雨天气， 早于2011 年5 月7 日已出现滑坡现象，滑坡发生以后后缘出现了0.5～5 m 的下移， 并出现解体现象。 同时，坡底上方有多个坟墓，其中还包含一座将军坟（桩号为K187+447），距路基中线约70 m，且在滑坡过程将军亭和将军坟都出现了破坏。另外，距中线约72 m 处有1 个电线杆，在进行地质钻探过程中出现裂缝。该裂缝为挤压破碎带，地层产状总体在69°＜50°～60 产。 为了保证滑坡治理具有较高效率，拟采用在边坡上方进行消方减载，中下方使用抗滑桩支挡，并补充边坡截排水措施的处置方案。

2.2 极限平衡法分析

根据公路工程的相关规范与相关设计手册[4-5]的要求，本文选取天然状态、暴雨状态2 种工况进行稳定性分析，建立极限平衡法边坡模型如图1 所示。 各工况物理力学指标参数如表1 所示，计算结果如表2 所示。 本文选用M-P 法的计算结果，可知边坡在2 种不同工况下，即天然状态、暴雨作用下的边坡安全系数分别为1.250、0.950，相应的边坡状态仅在天然状态下为稳定状态，暴雨状态下为不稳定状态。

图1 极限平衡法计算模型

表1 2 种工况物理力学指标参数

表2 种工况边坡稳定系数Slide 软件计算结果

2.3 有限元强度折减法分析

利用Phase 软件建立削坡后的五级边坡三维模型，边坡模型如图2 所示。 对模型划分网格时，选择六节点三角形单元进行划分， 总共划分出9874 个单元。 模型左右设置x 向位移约束，前后设置z 向位移约束，底面设置3 个方向的全约束。

图2 有限元网格划分

（1）天然工况

模型右侧水头高度为76.0 m， 得出边坡塑性区云图3（a），可以看出边坡的最大塑性变形区位于边坡中部，并未完全贯通。 由图4（a）可知，最大总位移为2.738 cm。经计算，天然工况时边坡的安全系数为1.25，边坡处于稳定的状态。

（2）暴雨工况

模型右侧水头高度为78.0 m， 得出边坡塑性区云图3（b），可以看出塑性区已贯通，边坡极容易发生破坏。 由图4（b）可知，边坡最大位移为11.80 cm。 经计算，暴雨工况时边坡的安全系数为1.03，边坡处于欠稳定的状态。

图3 塑性区云图

图4 边坡总位移云图

2.4 计算结果对比分析

将由Phase 软件计算所得有限元结果与由Slide 软件计算所得极限平衡法结果进行对比分析，如表3 所示。从表3 可以清楚的看出，2 种计算方法所得安全系数结果较为接近， 说明Phase 模拟结果是合理的。 经过2 种方法的综合计算，判定暴雨工况下的边坡属于不稳定状态，容易发生破坏，亟待实施加固治理。

表3 2 种工况边坡稳定性分析结果

3 抗滑桩加固边坡优化设计

3.1 桩位优化

选取饱水状态的岩土体参数和地下水条件，桩和土采用摩擦接触，所用相关参数见表1。初步取桩的长度为24.0 m， 桩位选取的4 个位置分别为：坡脚、二级边坡上部、四级边坡上部、坡顶，Phase 的模拟计算结果如图5 所示。

对比图5（a）～（d）可知，当桩位于坡脚和坡顶时，桩没有起到加固的作用；但当桩位于二级边坡上部、四级边坡上部时，可看出边坡的塑性变形区被阻断，起到了较好的加固作用，其中当桩位于四级边坡上部时，抗滑作用最明显。 与此同时，从坡脚至坡顶4 个桩位加固边坡安全系数分别为1.215、1.260、1.310、1.112， 在安全性上同样说明当桩位于四级边坡上部时，抗滑作用最明显。 从Fs的角度确定最佳的桩位，抗滑桩布置于四级边坡上部时安全系数最大，为1.310。

图5 不同桩位抗滑桩加固边坡塑性区云图

3.2 桩长优化

桩长取值范围为20～26 m， 长度增量梯度为1 m， 以边坡的位移和稳定系数为评判标准确定最佳桩长。由Phase 的模拟计算结果（图6）可知，边坡的最大水平和竖直位移均随着桩长的逐渐增加而减小， 其中对于水平位移的治理效果更为显著，原因在于抗滑桩治理主要作用于于水平受荷，对于竖向仅为桩侧摩阻力支护。 从位移减小的增量上看，相较于20～23 m 范围内水平最大位移随桩长增加而急剧减少的情况， 当桩长超过23 m 后水平最大位移减小幅度尤其缓慢，前后对比明显，因此初步可判断最优桩长为23 m。此外，由图6 亦可以看出，随着桩长增加， 边坡整体安全系数出现飞速增长，但当桩长超过25 m 后，安全系数突然变化，即线段的斜率变小。 由此可知，增加抗滑桩长可以显著提高边坡整体稳定性，但是当桩长超过25 m 后，稳定性增加效果不显著。 综上所述，并不是桩长越长，稳定性越好，判断最佳桩长为25 m，同时综合考虑边坡加固效果及建设施工成本，建议最优桩长取24 m。

图6 不同桩长下抗滑桩加固边坡位移及安全系数比较

4 结论

本文以某高边坡抗滑桩治理项目为案例背景，采用极限平衡法和有限元强度折减法，对边坡稳定性进行了计算分析，主要研究结论如下：

（1）在2 种不同的常见工况下，即天然状态、暴雨作用下， 利用极限平衡方法计算边坡的稳定安全系数分别为1.253、0.952，由此安全系数可判别该高边坡稳定状态为稳定及不稳定。 利用有限元强度折减法所得结论与极限平衡法结果符合良好， 但安全系数在各工况下均比极限平衡所得结果大， 原因在于有限元计算原理考虑了流固耦合作用，使得结果更为准确；由于该地常受到强降雨的影响，亟需加固治理，选择抗滑桩进行加固治理效果良好。

（2）对抗滑桩最为重要的2 个影响因素（桩位及桩长）进行优化设计，发现当抗滑桩加固于边坡近中部，即本案例边坡四级边坡上部时，加固作用最为显著；桩越长，边坡位移越小，边坡稳定性越好，但当桩长大于25 m 时，继续增加桩长对于边坡位移和稳定性提高不大；综合考虑边坡加固效果及建设施工成本，建议最优桩长取24 m。