抗滑桩在岸坡滑坡治理中的受力特征研究

李满水

（江西科信水利工程勘测设计有限公司，江西 上饶 334000）

抗滑桩是滑坡治理的主要支挡结构，已在边坡治理中得到了广泛应用[1]。对于库岸边坡，在水的侵蚀作用下，岩土体的物理力学性质弱化，边坡稳定性极大降低[2-5]。库岸消落区环境整治工作中经常会对不稳定的边坡进行加固处理，而抗滑桩-土层锚杆-护脚墙是一种常用的边坡加固措施，抗滑桩受力及变形特征决定着其加固效果。基于长江某库岸边坡加固工程，采用有限元计算模型模拟研究高/低水位工况和高水位降至低水位工况下边坡的稳定性情况和抗滑桩的受力及变形特征，明晰不同工况下边坡的潜在破坏面。研究成果可为类似工况下边坡的稳定性研究及其加固处理提供参考。

1 工程概况

该边坡为长江库岸边坡，由于坡体多为土质和土岩混合边坡，其抗冲蚀能力差，且受水的侵蚀影响大，加之在长江库区水位涨落变化影响下，边坡整体稳定性较差。前期采用搜索滑面法和推测滑面法分别计算了边坡在不同水位工况下的稳定性系数，结果详见表1。由表1 可以看出，无论是高/低水位工况（工况1 和工况2）还是高水位骤降至低水位工况（工况3 和工况4），边坡稳定性系数均较小，无法满足规范要求，需要对其进行加固处理。采用的治理方案为抗滑桩+土层锚杆+护脚墙，具体为：在175 m 处设5 m的平台，该平台即为抗滑桩顶部，175.0～185.0 m采用“土层锚杆+喷植被混凝土+立体生态防护网”支护，150 m 以下采用锚杆格构加固，底部采用浆砌石护脚。

表1 不同水位工况下边坡稳定性系数

2 数值模型的建立

根据边坡地勘资料与治理设计图纸，采用Midas-GTS NX 建立该断面的有限元计算模型，网格采用四边形网格划分。对模型底部约束X、Y 两个方向的位移，对模型左、右两侧约束X方向位移。根据不同工况的水位情况赋予岩土体材料不同的参数，水位线上采用天然容重、天然黏聚力和天然内摩擦角，水位线下采用浮容重、饱和黏聚力和饱和内摩擦角，具体参数详见表2。网格划分时将基岩边界尺寸控制在4～5 m，而关键区域（覆盖土层）的网格尺寸控制在1～2 m。该库岸边坡的计算模型及网格划分如图1 所示。抗滑桩采用1D 线单元进行模拟，容重为25 kN/m3，泊松比为0.2，弹性模量为30 GPa。抗滑桩直径取3.5 m，桩间距取6 m。抗滑桩单元采用植入式梁单元处理。

图1 有限元数值计算模型及网格划分

表2 边坡岩土体和结构单元计算参数

3 结果与分析

3.1 不同水位工况下支护后边坡的滑动趋势分析

边坡进行“抗滑桩+土层锚杆+护脚墙”加固后，提取出不同水位工况下边坡变形位移分布图。不同工况下边坡的最大剪应变云图和水平位移云图分别如图2—3 所示。不同工况下边坡水平位移均主要集中在边坡上部和中部。对175 m 高水位工况，最大剪应力带分布在边坡中部和上部，且上部的最大剪应力稍大于边坡中部，但边坡最大水平位移发生在抗滑桩顶部，达到0.14 m，表明175 m 高水位工况下边坡潜在破坏面将发生在边坡中部。其主要原因是高水位时库水会渗入大部分坡体，从而对坡体产生浮托作用，降低坡体的抗滑能力[6]。145 m 低水位、175 m 降至145 m 水位、162 m 降至145 m 水位工况，最大剪应力主要分布在边坡上部；但边坡水平位移主要集中在边坡上部和中部抗滑桩顶部位置，最大水平位移为0.07 m 左右，表明145 m 低水位工况和高水位降至低水位工况时边坡潜在破坏面将发生在边坡上部和中部。其主要原因是库水位降低削弱了水对坡体的浮托作用。综合来看，175 m 高水位工况下边坡最容易发生失稳破坏。

图2 不同工况下边坡最大剪应变云图

图3 不同工况下边坡水平位移云图

3.2 不同水位工况下抗滑桩变形内力分析

抗滑桩受力及形变情况是分析边坡治理中抗滑桩性能的基础，是评价抗滑桩加固效果的关键。不同水位工况下抗滑桩变形（水平位移）及内力（轴力、剪力、弯矩）随桩长的分布规律如图4所示。抗滑桩小于14 m 桩长的部分几乎无变形，即水平位移为零；而当抗滑桩桩长超过14 m 时，其水平位移随桩长几乎呈线性增加，且增加速率从大到小分别为：175 m 水位工况（工况1）、175 m 降至145 m 水位工况（工况3）、162 m 降至145 m 水位工况（工况4）、145 m 水位工况（工况2），其最大水平位移分别为14.2、7.8、7.1 和5.9 mm。其主要原因是抗滑桩桩长超过14 m 部分位于潜在滑体内，坡体变形等将通过推力传递给抗滑桩，从而导致坡体变形程度越高，抗滑桩受力变形也越高。

图4 不同工况下抗滑桩受力变形分布曲线（从左到右依次为水平位移、轴力、剪力和弯矩）

4 种水位工况下，抗滑桩轴力和剪力随桩长的分布规律总体上一致，但175 m 高水位工况与其他3种工况有一定的差异，如175 m 高水位工况下抗滑桩轴力在约10 m 桩长处会出现拉力，而其他3 种工况均为压力。此外，175 m 水位工况下抗滑桩的最大剪力最大，约为11 040 kN，出现在约10 m 桩长处。4 种工况下抗滑桩弯矩分布形式也基本一致，但175 m 高水位工况下抗滑桩弯矩明显大于其他3种工况，最大弯矩从大到小为：175 m水位工况、175 m降至145 m 水位工况、162 m 降至145 m 水位工况、145 m 水位工况，最大弯矩为55 920 kN·m。综合考虑抗滑桩的水平位移及内力大小，可以看出抗滑桩在175 m 高水位工况时受载最大，表明此工况下边坡的稳定性最差，与3.1节中结论一致。

4 结论

本文根据长江某库岸边坡治理工程，针对其采用的“抗滑桩+土层锚杆+护脚墙”边坡综合加固方案，采用数值模拟研究了不同水位工况下加固后边坡的稳定性，分析了抗滑桩的受力变形特征，得出以下主要结论。

（1）基于GTS NX 有限元计算软件，建立了含“抗滑桩+土层锚杆+护脚墙”加固措施的边坡稳定性三维计算模型。

（2）175 m 高水位工况时坡体受库水浮托作用影响最大，边坡水平位移最大达0.14 m、稳定性最差，其潜在破坏面将发生在边坡中部；145 m 低水位或高水位降至低水位工况时，浮托作用对坡体影响减小，边坡最大剪应变和水平位移均减小，且主要集中在上部和中部，其潜在破坏面将发生在边坡上部和中部。

（3）抗滑桩受边坡变形影响，超过14 m 桩长部分的水平位移随桩长几乎呈线性增加，且175 m高水位工况增长速率最大，抗滑桩最大水平位移为14.2 mm；抗滑桩轴力、剪力和弯矩在不同水位工况下随桩长的分布规律总体上一致，但175 m高水位工况抗滑桩剪力和弯矩最大，达11 040 kN 和55 920 kN·m，且10 m 桩长处会出现拉力。抗滑桩受力及变形特征说明抗滑桩在175 m高水位工况时受载最大。