抗滑桩加固岩质边坡稳定性影响分析

2022-11-17赖柳军

西部交通科技 2022年9期

赖柳军

(柳城县交通运输局，广西柳州 545200)

0 引言

抗滑桩作为一种常用的边坡加固方式，在工程中得到了广泛应用。朱泳、代凌辉等[1-2]基于强度折减法，采用有限元模拟的方法分析了影响抗滑桩加固边坡稳定性的因素，并重点对抗滑桩的桩身受力、桩身变形进行了研究。王振军、马志勇[3-4]以抗滑桩加固边坡为研究对象，重点探讨了影响其作用发挥的因素，研究表明抗滑桩的位置、桩身长度及桩身弹性模量等具有重要的影响，设计时应充分考虑。唐迎春、李海波[5-6]通过建立土质阶梯型边坡抗滑桩计算模型，分析了抗滑桩位置、桩土力、附加荷载对边坡稳定性的影响，并推导得到了抗滑桩加固阶梯型边坡安全系数的表达式。曹文轩、王张军等[7-8]以抗滑桩加固边坡为研究对象，采用有限元软件研究了抗滑桩加固边坡的效果，重点分析了抗滑桩加固边坡的位移和安全系数，结果可为类似工程中抗滑桩设计提供参考。本文主要以某岩质边坡开挖支护工程为研究对象，采用ABAQUS软件建模，重点分析了抗滑桩加固岩质边坡效果，进行参数影响分析，并对预应力锚索抗滑桩加固岩质边坡效果进行了验算，研究结果可为预应力锚索抗滑桩加固岩质边坡工程提供参考。

1 工程概况

某边坡地处西南地区，有拟建道路通过，需要对一侧坡体做挖方处置，该地区岩质主要为强风化花岗岩，情况如图1所示。拟采用抗滑桩锚索支护方式，锚索与水平面夹角取30°，施加预应力，长度取24 m，其中锚固段长10 m，设计3排锚杆，每排间距取3.0 m，左右间距取3.5 m，注浆层厚度取130 mm，锚索由4根直径为15.2 mm的钢绞线组成。抗滑桩尺寸为：长3 m×宽2 m，长边和宽边分别位于侧面和正面。采用C30混凝土现浇施工方式。

图1 岩质边坡断面图

2 数值建模

图2所示为岩质边坡计算模型图，模型长、宽、高分别取100 m、20 m、60 m，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。边坡采用C8D8网格建立，土体采用摩尔-库仑模型，桩体采用弹性模型。下页表1为土体的物理力学参数，表2为抗滑桩的物理力学参数。

图2 数值模型图

表1 土体的物理力学参数表

表2 抗滑桩的力学参数表

3 抗滑桩加固岩质边坡分析

为探索影响抗滑桩加固效果的因素，本节主要分析抗滑桩位置、桩长以及桩水平间距的影响。

3.1.1 抗滑桩位置影响分析

为了分析抗滑桩不同位置的影响，如图3所示，共设置四种不同抗滑桩位置工况，采用强度折减法进行分析。

图3 抗滑桩四种工况示意图

如图4所示，给出了四种工况下抗滑桩加固边坡水平位移云图。由图4可知，抗滑桩不同位置时边坡水平位移存在差异，工况三效果最佳，其次是工况二，最差的是工况一。

(a)工况一

(b)工况二

(c)工况三

(d)工况四

为了更加直观地分析抗滑桩不同位置对边坡的稳定性影响，测出不同抗滑桩位置下边坡最大水平位移监测值如图5所示。由图5可知，工况一至工况四对应的边坡最大水平位移分别为48.31 mm、44.15 mm、38.46 mm、45.23 mm，即抗滑桩位于第三级边坡坡脚时，边坡的水平位移最小。

图6所示为岩质边坡不同抗滑桩位置下边坡安全系数。由图6可知，工况一至工况四对应的边坡安全系数分别为1.142、1.206、1.273、1.185，这与边坡位移所反映的规律一致，即当抗滑桩位于第三级边坡坡脚时，边坡的安全系数最大，加固效果最好，设计时可以通过合理设计抗滑桩位置来增加边坡的稳定性。

图5 不同抗滑桩位置下边坡最大水平位移曲线图

图6 不同抗滑桩位置下边坡安全系数曲线图

3.1.2 抗滑桩桩长影响分析

图7所示为边坡最大水平位移随抗滑桩桩长的变化曲线。由图7可知，随着抗滑桩桩长的增加，边坡最大水平位移逐渐减小，相比于抗滑桩桩长取12 m时，抗滑桩桩长取14 m、16 m、18 m、20 m时边坡最大水平位移分别减小了4.4%、8.2%、10.9%、11.9%。

图7 边坡最大水平位移随抗滑桩桩长变化曲线图

为了直观分析抗滑桩桩长变化对边坡稳定性的影响，图8绘出了边坡安全系数随抗滑桩桩长的变化曲线。由图8可知，随着抗滑桩桩长的增加，边坡安全系数逐渐增大，相比于抗滑桩桩长取12 m时，抗滑桩桩长取14 m、16 m、18 m、20 m时边坡安全系数分别增大了3.3%、6.6%、8.3%、9.1%。

图8 边坡安全系数随抗滑桩桩长变化曲线图

综上可知，通过增加抗滑桩桩长可以增大边坡的稳定性，但随着抗滑桩桩长的持续增加，当桩长超过18m时，继续增加桩长使得边坡安全系数增幅变得缓慢，同时会导致施工成本增加，因此应合理设计抗滑桩桩长。

3.1.3 抗滑桩水平间距影响分析

图9所示为边坡最大水平位移随抗滑桩水平间距的变化曲线。由图9可知，随着抗滑桩水平间距的增大，边坡最大水平位移逐渐增大，相比于抗滑桩水平间距取4 m时，抗滑桩水平间距取5 m、6 m、7 m、8 m时边坡最大水平位移分别增大了0.6%、1.9%、5.1%、9.1%。

图9 边坡最大水平位移随抗滑桩水平间距变化曲线图

为了直观分析抗滑桩水平间距变化对边坡稳定性的影响，下页图10所示为边坡安全系数随抗滑桩水平间距的变化曲线。由图10可知，随着抗滑桩水平间距的增大，边坡安全系数逐渐减小，相比于抗滑桩水平间距取4 m时，抗滑桩水平间距取5 m、6 m、7 m、8 m时边坡安全系数分别减小了0.4%、1.4%、3.8%、8.0%。

综上可知，增大抗滑桩水平间距会导致边坡的稳定性下降，当桩间距较小时，边坡稳定性随抗滑桩桩间距增大变化不明显；当桩间距>6 m时，继续增大桩间距，边坡安全系数迅速降低，因此设计时应合理设计桩间距，以保证工程的经济性。

图10 边坡安全系数随抗滑桩水平间距变化曲线图

4 预应力锚索抗滑桩加固效果分析

单一的抗滑桩加固边坡能力有限，可以采用预应力锚索+抗滑桩的形式加固边坡。由前文可知，抗滑桩在第三级边坡坡脚位置时，加固效果最佳，本节即以抗滑桩位于第三级边坡坡脚位置、桩长取18 m、桩间距取6 m为例。采用预应力锚索支护，锚索和注浆锚固段的力学参数如表3所示，锚杆施加预应力500 kN，布设形式如图11所示。