抗滑桩加固边坡抗震稳定性分析

武冬停

（广州市北二环交通科技有限公司，广东 广州 510450）

山区高速公路经常遇到边坡和滑坡问题。目前，关于边坡抗滑桩抗震性能的研究较少，而《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）中路基抗震稳定性的评价主要采用传统的静力法，动力方面的抗震特性研究相对较少。本文将依托某高速公路路堑边坡工程，结合地勘资料，研究新建边坡的稳定性和抗震稳定性。

一、存在问题

抗滑桩支护的边坡抗震研究主要存在两方面问题。一方面是在设计抗滑桩时，往往以单桩设计为基础，在单桩设计满足要求后，再组合计算排桩。这种设计方法不能充分考虑排桩之间的相互作用，设计相对保守，导致抗滑桩在抗震设计时过于冗余。

另外一方面是边坡整体抗震稳定性的设计主要以静力法为主，其本身就是一种假设的模拟，不能完全反映边坡真实的受力情况，不能充分反映边坡在非线性条件下的变形积累，动力特性研究相对较弱。因此，本文拟采用MIDAS/GTS有限元软件在抗滑桩边坡施加地震波，以得到抗滑桩和边坡的变形、稳定性等规律，为抗滑桩支护的边坡提供参考依据。

二、工程概况

该项目位于某高速公路穿越山区段，双向四车道，设计行车速度10 0k m/h，路基宽度2 6m。边坡位于桩号k9+120.234～k9+250.335段，长度约130m。该处路线走向由南向北，原始地貌高低起伏较大，相对高差约120m，原始地貌植被发育良好，未见不良水文地质。现场踏勘发现其原始边坡陡峭，且有崩塌迹象，边坡处于欠稳定状态，急需采取加固措施。拟建边坡在路基设计标高范围内削坡减载并放坡，坡率自上而下为1∶1.75、1∶1.75、1∶1.5、1∶1.5，其中每级边坡坡高为8m，级间设置2m宽平台。同时结合地区有关项目经验，采用抗滑桩支护增加边坡整体稳定性，减小边坡变形。抗滑桩截面尺寸为1.5m×2m，长15m，同时坡面采用菱形骨架护坡，骨架内采用冷暖两季草籽植草防护，如图1所示。

图1 k9+160.225横断面（m）

k9+160.225横断面如图1所示，该截面为此处最危险的截面，需加强边坡稳定性设计。根据地勘报告，此次边坡的岩层结构主要为4层，分别为杂填土、风化土、泥岩和玄武岩，其厚度分别约为5.5m、8m、10m和14m。

三、数值模拟研究

（一）模型建立

MIDAS/GTS软件在工程领域中应用广泛，得到了国内外学者的广泛认可。此次数值模拟使用该软件分析边坡的稳定性。

结合地勘报告内容，MIDAS建模过程中的模型尺寸为62m×160m×30m，采用3D建模方式，岩土体模拟采用摩尔-库伦本构模型，抗滑桩则采用1D单元的弹性本构模型，截面尺寸为1.5m×2m。构建的模型如图2所示，网格的精度采用尺寸控制，杂填土的网格密度为1m，风化土的网格密度为2m，泥岩和玄武岩的网格密度为4m，保证网格在计算过程中的速度和精度，模型各参数如表1所示。

图2 MIDAS模型

表1 模型参数表

在静力条件和动力条件下，边坡稳定性计算采用强度折减法，分析边坡地震状态下的稳定性。强度折减法的基本原理是假定土体的抗剪强度参数c，φ值在计算过程中不断折减，直至土体达到临界破坏，此时的折减系数就为边坡的安全稳定系数。动力分析—地震波的模拟是计算整个边坡抗震稳定性的核心，地震荷载的敏感因素主要包括峰值加速度、周期及作用时长，此次地震波的模拟采用《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）中的EL-Centro地震波为边坡模型施加荷载，其峰值加速度为0.2142g，地震作用时长为53.46s，其地震时程如图3所示。

图3 EL-Centro地震波时程图

模型建立后，首先模拟原始地面重力场，在此基础上再采用施工阶段方法模拟边坡施工步骤，最后施加动荷载（ELCentro地震波），计算分析边坡的抗震稳定性，具体步骤如下：

1.边坡初始重力场平衡，位移清零；

2.边坡开挖到设计坡率，计算开挖后边坡的稳定性（SRM）；

3.施加抗滑桩，计算边坡的稳定性（SRM）；

4.施加自由场，计算抗滑桩支护边坡的特征值，获得模型的固有周期；

5.施加地震荷载，计算地震荷载作用下边坡的稳定性（SRM）。

（二）计算结果分析

1.边坡稳定性分析

(1)边坡稳定系数分析

分析边坡稳定性，边坡开挖后的有效塑性区如图4所示，主要出现在沿边坡坡脚向上的土层交界面上，此时的边坡安全稳定系数为1.31，边坡的稳定系数达到规范值1.3的要求，但《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）中要求高速公路路基边坡大于20m的，路基边坡的抗震稳定系数不应小于1.15，因此在边坡施加抗滑桩作为支护。参考边坡的有效塑性云图，拟定两种抗滑桩支护方案，分别是在二级边坡坡顶和一级边坡坡顶设置抗滑桩，如图1所示，抗滑桩1（工况1）、抗滑桩2（工况2）两种工况，其长度分别为12m和8m。施加抗滑桩后边坡的稳定系数分别1.75和1.54，这说明抗滑桩的施加对边坡稳定性提高有效，且抗滑桩的施加位置应处于有效塑性区中部，更有利于提高边坡的稳定性。

图4 边坡有效塑性区云图

(2)边坡坡面水平位移分析

考虑边坡的长期稳定性，提取分析边坡的水平位移值（坡面临空面为正），抗滑桩1的坡面水平位移结果如图5所示。可知，坡面的水平位移变化有很强的区域性，每一级边坡的坡面水平位移呈现不同的规律，自上而下分析，第四级边坡坡顶的水平位移基本不变。第二级、第三级边坡水平位移逐渐扩大，最后在第一级边坡处又逐渐减小，最大值约为29mm。这说明第二级、第三级边坡容易出现位移变化极值点，在施工和设计中应对该处加强控制和监测。

图5 边坡水平位移图

2.边坡抗震稳定性分析

(1)边坡稳定系数分析

通过“非线性时程+SRM”分析边坡，得到边坡在地震作用下的稳定系数变化图，如图6所示，图中工况1、工况2分别与图1中两种工况对应。从两种工况的边坡稳定系数整体变化情况可以得出，边坡在地震过程中的稳定性随地震作用时长持续下降，呈非线性变化。在地震作用的前4s内，两种工况的边坡稳定系数都呈较大幅度的下降，降幅达到28%左右，在4s～6s内，边坡的稳定性下降幅度减缓，最后6s～10s逐渐变得稳定，最终工况1的安全系数稳定在1.2，工况2的安全系数稳定在1.05。而《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013）要求高速公路路基边坡大于20m的抗震稳定系数不小于1.15，因此工况2方案不予采用。

(2)边坡坡面水平位移分析

提取分析工况1边坡地震前后坡面的最大水平位移情况，如图7所示。

图7 边坡安全稳定系数

由图7可知，地震前后坡面的位移情况不同，地震后边坡水平位移最大值与边坡高度有关，边坡高度越高，水平位移值变化越明显，也就是坡顶的水平位移值最大，最大值为41mm，这种现象与地震过程中PGA放大系数有关[3]。而地震前边坡的水平位移最大值为塑性区发育最多的区域（坡高8m～24m）。这种情况表明，边坡在地震荷载和重力荷载时处于两种不同的状态，地震荷载作用下影响更多的是边坡高处区域，自重荷载作用下影响的是边坡塑性屈服区域，因此在边坡设计中应充分考虑边坡的状态，采用合理有效的支护措施，在提高边坡稳定性的同时提高其抗震稳定性。

(3)抗滑桩弯矩分析

抗滑桩地震前后的弯矩对比如图8所示，可以得出在地震前后弯矩的变化情况不同，地震前抗滑桩的桩身整个弯矩较小，弯矩最大值为135.6kN·m，位于桩身3m处，该位置位于边坡有效塑性区最大位置，也是重力作用下边坡的水平位移最大处。震动后可见抗滑桩的弯矩值呈现“S”形变化曲线，且弯矩值较地震前增大，最大值为1398kN·m，其位置与地震前保持一致，处于桩身3m处。从整个桩身的弯矩变化情况可以得出，抗滑桩在地震过程中发挥了支护作用，土体在地震波的作用下水平振动，抗滑桩则提供抵抗土体水平位移的力，产生如图8所示的“S”形弯矩图形态，且弯矩值在桩身的分布情况变化较小，这充分反映了抗滑桩在地震过程中的作用，以及地震对土体的影响是自上而下逐渐减小的，与前文坡面水平位移分析得出结果相符。

图8 抗滑桩桩身弯矩对比图

四、结语

抗滑桩的施加有利于边坡稳定性的提高，抗滑桩设置在有效塑性区中部，能更好地提高边坡的稳定性；边坡的水平位移值最大区域处于最大有塑性区范围；边坡在地震波的作用下稳定性总体降低，地震初期下降最快，中期稍缓，最后保持相对稳定；地震对边坡的影响与坡高有关，坡体越高，影响越大，同时抗滑桩的弯矩在地震波的作用下增大，且随桩身呈“S”形变化。