公路边坡稳定及抗滑桩加固分析

摘要：常规的边坡支护设计方法因理论支持力度匮乏，使当前边坡工程设计仍有一定缺陷，造成边坡变形甚至失效或支护结构“过剩”。文章以某公路人工堆填边坡为例，采用PLAXIS3D有限元软件建立三维模型进行边坡稳定性分析，利用考虑桩-土相互作用的强度折减法，研究边坡支护形式的合理选型。研究结果表明：抗滑桩+毛石挡墙联合支护措施，比同几何设计尺寸的抗滑桩措施更能有效控制边坡变形，保证边坡稳定;当仅采用抗滑桩进行加固时，桩间距等桩身参数需严格调整，使得施工难度大、经济性差;在公路边坡附近设置弃土场时，弃土荷载作用下，边坡受到的影响有限;在现行设计标准下，拟建弃土场的最大堆载量可达到设计标准荷载的2倍。

关键词：边坡;稳定性;抗滑桩;PLAXIS3D有限元软件;桩-土相互作用

0 引言

当前，边坡因其组成成分、坡体形态、成因条件、环境变化等因素的差异呈现出工程地质条件越来越差、事故多样化等特点。在当下不同类型的边坡工程中仍有问题亟待解决，诸如边坡岩土体强度指标确定问题、边坡稳定性分析问题、边坡合理的支护设计问题等。现有规范[1]、手册[2]等指导性文件规定了边坡勘察、设计的标准，而针对边坡工程的支护措施，尽管设计和科研人员在工程实践中积累了特别丰富的经验和教训，但对如何选择合理、经济、有效的支护措施还需进行多方面的研究和探讨。目前，各类支护结构及体系，例如桩、复合土钉墙、锚杆（索）、混凝土（钢）内支撑及新型或组合支护形式已在各类边坡工程中进行了应用尝试[3]。抗滑桩因具有设计简单、结构形式灵活多变、组合兼容性强、施工便宜、设计理论完备等优点，在基坑、边坡等工程中应用广泛。针对抗滑桩的研究，众多学者已经从极限平衡法的理论计算手段的改进验算[4]、室内相似原理的物理模拟试验[5]、原位桩身变形和内力的监测测试试验[6]、有限元或有限差分方法的全尺寸真三维的数值模拟试验等[7]，得出了抗滑桩的设计优化理论，并研究了边坡变形对抗滑桩的内力及形变的影响。然而，常用的极限平衡法无法全面反映土体侧移变形对支护桩的影响，即无法考虑桩-土协同变形而造成设计支护过于安全或偏不安全。近些年，有学者逐渐引入抗滑桩加固边坡的结构-坡体协同理念，深入探讨桩身截面尺寸、桩长、设桩位置、桩间距等桩几何尺寸因素对支护效果的影响，以此作为优化的依据[8]。但是，常规的支护设计方法主要是在克里金土压力基础上衍生而来的，依据工程勘察提供的土体物理力学参数结合工程经验进行设计，理论支持力度匮乏，造成当前边坡工程设计仍有一定缺陷，引起边坡变形甚至失效或支护结构“过剩”。

公路边坡稳定及抗滑桩加固分析/高兴杰[=JP2] 为此，本文以某公路起始段人工堆填边坡为例，采用PLAXIS 3D有限元软件建立三维模型进行边坡稳定性分析，利用考虑桩-土相互作用的强度折减法，分析抗滑桩支护、桩-墙联合支护两种支护设计方法对于边坡变形和稳定性的影响，提出优化合理的设计方法，并进一步考虑坡顶后续堆积荷载对重新支护后边坡的稳定性影响，分析在各种工况下桩身变位、坡体变形等特点，以期为抗滑桩工程设计提供参考。

1 工程概况

该公路全线按照一级公路标准建设，设计时速采用80 km/h，路基宽度为24.5 m，其中新建特大桥1座、新建大桥1座。该公路在起始段为堆填路堤边坡，并在边坡的左侧边缘距离路堤坡頂24 m处设置一处临时弃土场，用于临时转运（边坡形态如图1所示）。根据场地工程地质勘察资料显示，拟建公路穿越的位置原为一淤积池塘，因初期施工速度等问题影响使得池塘中的淤泥未能完全清除干净，留存厚度为10 m。除此之外场地内土层由上自下依次为：第四系全新统（Q4ml）人工填土层①、第四系全新统坡积粉质黏土（Q4dl）②、侏罗纪中统沙溪庙组砂岩③（J2s）。岩土体的物理力学参数如表1所示。

2 支挡防护设计方案及模型建立

根据工程地质勘察报告，结合工程现场揭露的地层情况、后续边坡卸载处置措施、拟建弃土场的堆土量级等基本工程情况，支挡防护措施方法分为两种：

（1）抗滑桩支护：桩长为6 m，间距为5.5 m，桩径为1 m，设桩位置位于坡脚;挖除坡体上部土体尺寸为2 m×13 m;桩间距根据计算结果进行反复调试并最终确定。

（2）抗滑桩+毛石挡墙支护：桩长为6 m，间距为5.5 m，桩径为1 m;毛石挡墙长33 m、宽1 m、高6 m;挖除坡体上部土体尺寸为2 m×13 m。

采用PLAXIS 3D有限元软件建立三维模型进行边坡稳定性分析，利用考虑桩-土相互作用的强度折减法，研究抗滑桩支护的原边坡变形破坏特点，为设计施工方案的有效实施提供技术支撑。三维计算模型如图2所示，并进行网格优化与计算调试。为了建立的三维计算模型能合理反映地层分布、地形地貌、抗滑桩、桩间挡墙及弃土场拟建荷载等，建立的模型长40 m、宽100 m、高50 m。

岩土体本构模型可参见文献[9]。

岩土体的物理力学参数如表1所示。桩、墙结构的计算参数如表2所示。

3 边坡稳定性模拟结果分析

3.1 抗滑桩模拟结果分析

如下页图3所示，计算时冻结边坡外土体，对抗滑桩赋予相应材料进行计算，计算结果如图4、图5所示。

由图3可知，桩距为5.5 m时，抗滑桩加固坡体发生显著变形破现象，该坡体变形破坏属于倾覆破坏+桩头剪除破坏，在坡顶位置的潜在滑移面产生滑移剪切破坏，说明坡体自身相对来说已发生失稳，该加固措施并非适宜。通过坡体内部的塑性点分布图也可以看出（见图4），在抗滑桩顶部和坡顶后方路面分布着大量的拉伸截断点，这些很好地反映了坡体中部、坡体后缘发现的张裂缝。

同时，根据图5的位移云图可以看出，在坡体及抗滑桩桩顶的位置产生的位移最大，接近3 cm，接近一般对边坡设计4 cm水平位移的要求（基坑监测报警值为4 cm[1]）。根据规范[1]第5.3.2条规定，一级边坡的安全系数需>1.35，而该边坡的稳定性系数为1.2，处于临界稳定状态但安全储备不足。

对此，对桩距进行调整，分别考虑桩距为4.5 m、3.5 m、2.5 m时，该边坡的变形和稳定性情况。桩距与边坡变形、桩距与坡体稳定性的关系曲线如图6所示。

从图6可见，桩距与边坡变形成正比关系，桩距与坡体稳定性系数成反比关系。即随着桩距的增加，边坡和桩顶向坡外的最大水平位移逐渐在减小，从桩间距5.5 m的变形3 cm逐渐减小到桩间距2.5 m的0.6 cm变形;而随着桩距的增加，坡体稳定性系数逐渐增大，从桩间距5.5 m的1.2逐渐减小到桩间距2.5 m的1.5;三者关系均表现了近似的线性增大。

3.2 抗滑樁+毛石挡墙模拟结果分析

如图3（b）所示，在桩基间距为5.5 m工况下，激活毛石挡墙，以开展抗滑桩+毛石挡墙边坡的支挡防护措施的效果分析。计算结果如图7所示。

图7（a）为抗滑桩+毛石挡墙支护后坡体内部的塑性点云图，与图4相关结果进行比对可以看出，在采用联合支护之后，边坡附近的塑性点明显减少，说明联合支护后坡体区域处于稳定状态。同时对比坡体变形情况，统计变形量发现，卸载后变形的变形量仅为8 mm，符合一般对边坡设计4 cm水平位移的要求，边坡的稳定性系数为1.5，边坡处于稳定状态。

从计算结果可以看出，抗滑桩（间距为5.5 m）+毛石挡墙和2.5 m间距抗滑桩支护后的支护效果基本一致。

3.3 堆积荷载对边坡稳定性的影响

如前所述，在距离坡顶30 m位置处设计拟建弃土场的堆载荷载500 kPa（该荷载为一期弃土堆置的总荷载），堆载范围为半径14 m的圆形范围。在抗滑桩+毛石挡墙支护措施的工况下，激活荷载后，计算模型如图8所示，结果如图9所示。

在设计荷载作用下弃土场堆载对边坡的变形影响很小，水平位移仅为10 mm，小于《建筑边坡工程技术规范》〈GB 50330-2013〉[1]所限定的界限，边坡的稳定性系数仍为1.5，边坡处于稳定状态。同时，从边坡塑性点分布可见，在抗滑桩顶部和坡顶后方路面分布着少量的拉伸截断点，但结合坡体和桩顶的变形可见影响不大。

进一步通过改变堆积荷载来模拟拟建弃土场所能达到的最大库容，以优化相关设计。荷载输入500 kPa、700 kPa、900 kPa、1 000 kPa。所得计算结果如图10所示。计算结果显示，随着坡后堆积荷载的增加，边坡稳定性系数降低，位移增大。在现行设计标准下，拟建弃土场的最大堆载量可达到设计标准荷载的2倍。

4 结语

本文以某公路起始段人工堆填边坡为例，采用PLAXIS 3D有限元软件建立三维模型进行边坡稳定性分析，利用考虑桩-土相互作用的强度折减法，研究抗滑桩支护的原边坡变形破坏特点，并以此为基础对变形破坏的边坡进行支护设计研究，同时考虑坡顶后续堆积荷载对重新支护后边坡的稳定性影响，研究结果表明：

（1）桩距为5.5 m时，抗滑桩加固坡体发生显著变形破坏现象，该坡体变形破坏属于倾覆破坏+桩头剪除破坏，在坡顶位置的潜在滑移面产生滑移剪切破坏，说明坡体自身已发生失稳，该加固措施并非适宜。

（2）采用间距为5.5 m抗滑桩+毛石挡墙联合支护措施，可以有效控制边坡变形，保证边坡稳定。即支护后变形的变形量仅为6 mm，符合一般对边坡设计4 cm水平位移的要求，边坡的稳定性系数为1.5，处于稳定状态。但是当仅采用抗滑桩进行加固时，桩间距需调整至2.5 m，施工难度大、经济性差。

（3）在后续兴建的弃土场荷载作用下，边坡受到的影响有限。在现行设计标准下，拟建弃土场的最大堆载量可达到设计标准荷载的2倍。

参考文献：

[1]GB 50330-2013，建筑边坡工程技术规范[S].

[2]工程地质手册编委会.工程地质手册（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[3]刘国彬，王卫东.基坑工程手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[4]张晓咏.抗滑桩现场试验及其设计计算方法研究[D].福州：福州大学，2010.

[5]张友良，冯夏庭，范建海，等.抗滑桩与滑坡体相互作用的研究[J].岩石力学与工程学报，2002（6）：81-84.

[6]冯文娟，琚晓冬.基于FLAC～（3D）的抗滑桩设计方法研究[C].全国桩基工程学术会议，2011.

[7]赵坤鹏，姚 造.基于改进有限元容重增加法的抗滑桩内力计算[C].全国大坝安全监测技术与应用学术交流会.全国大坝安全监测技术信息网，2016.

[8]邱焕峰.边坡稳定性分析评价方法及抗滑桩研究[D].武汉：武汉大学，2013.

[9]刘志祥，张海清.PLAXIS 3D基础教程[M].北京：机械工业出版社，2015.