微型桩加固堆积层边坡参数敏感性耦合分析

刘 凡 刘志伟

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

微型桩作为一种施工方便，快捷，施工工期短的新型支护结构，具有直径小，长径比较大和柔性的结构特点，同时还具有对边坡和滑坡的治理效果好，对环境影响小等诸多优点。近年来，随着滑坡灾害防治研究的深入与发展，防治工程也在向轻型化、小型化、经济型方向发展，微型桩就是其中最具代表性的轻型抗滑支挡结构之一[1]。随着对微型桩加固机理的认识与研究的深入以及对滑坡破坏模式和产生机理的不断了解，微型桩在边坡加固等防护工程中的应用尤其是对中小型滑坡的治理工程中的应用越来越广泛。在针对边坡加固工程中的微型桩工作特性的研究中，研究内容主要集中在设桩间距、桩身承载力、设桩角度等方面，研究对象多为土质边坡[2-4]。对于微型桩对浅层堆积层边坡加固设计方面的研究还有所不足，微型桩加固浅层堆积层滑坡的设桩位置、设桩倾角、锚固深度等设桩参数与微型桩加固效果之间的规律还不明了。

近年来随着岩土工程领域计算机数值模拟技术的发展，包括有限元，有限差分元等在内的众多数值模拟软件被开发利用，其在边坡加固的模拟研究中的应用也越来越广泛，成熟，得到众多学者的认可，诸多的研究成果也有效地证明了运用数值模拟方法对边坡稳定性进行模拟分析的合理性。目前在针对抗滑桩等一系列支挡结构支护边坡的研究当中主要存在两种研究方法：一是将这类支挡结构的受力与变形分析和边坡的稳定性分析两者单独考虑，即传统的非耦合分析方法；另外一种是将这类支挡结构的受力与变形分析和边坡的稳定性两者相结合同时进行考虑，即桩—土耦合分析。桩—土耦合分析可以分析由于桩体的施加引起边坡运动形态的改变[5]。本文结合某浅层堆积层边坡简化模型，利用有限差分元软件FLAC3D对微型桩加固边坡的稳定性进行了耦合分析，通过建立不同的数值计算模型对微型桩不同设桩参数与边坡稳定性系数变化的关系进行了研究，系统地分析了设桩位置、设桩倾角、锚固深度等不同设桩参数对微型桩加固浅层堆积层边坡稳定性的影响，以期为今后微型桩实际工程的应用提供一些指导和借鉴。

1 分析方法

利用有限元法分析复杂边坡的稳定性，考虑了岩土材料的非线性弹塑性本构关系和边界条件的复杂性，能够有效模拟岩土材料应力应变关系[6]。能够更加全面直观地对边坡破坏的发生过程和发展形式进行分析研究，因此此类方法在边坡支护等工程研究中得到大量学者的广泛应用。

本文实际采用FLAC有限差分强度折减法对算例边坡进行稳定性分析。强度折减法对边坡安全系数定义为：使边坡刚好达到临界破坏状态，对岩、土体的抗剪强度进行折减的程度，即岩土体的实际抗剪强度与折减后临界破坏时的剪切强度的比值[7]。强度折减法的核心公式为式(1)和式(2)：

cF=c/Fs

(1)

φF=tan-1(tanφ/Fs)

(2)

其中，c为折减前粘聚力;φ为折减前内摩擦角;Fs为折减系数;cF为折减后粘聚力;φF为折减后内摩擦角。

2 边坡分析模型的建立

边坡模型为一浅层堆积体滑坡，边坡尺寸见图1，坡高17.5 m，边坡倾角约为30°。边坡上层为碎石土，下层为基岩，对实际堆积层滑坡进行简化，碎石土厚度平均为5 m。微型桩自滑坡滑动方向开始由前排桩、中排桩、后排桩三排桩组成，单桩桩径D取0.2 m，微型桩群的桩间距离S和排间距离S′均取3.5D。

本文选取宽2S的边坡单元采用FLAC3D软件进行模拟分析，采用六面体网格单元，共有17 530个节点，12 260个网格。在微型桩设桩位置，设桩倾角与边坡稳定系数关系的计算分析中假定微型桩为无限长桩，微型桩桩顶与桩底均设置为自由。边坡模型见图2。

3 材料参数

本文采用FLAC3D软件中自带Pile结构单元对微型桩进行模拟。在数值模拟过程中可以通过设置Pile结构单元自身所带的耦合弹簧参数来完成Pile结构单元与边坡岩土体之间的相互作用。切向弹簧可以实现桩与土体发生相对移动的力学效应，法向弹簧可以模拟法向荷载的作用以及桩身与实体单元节点之间缝隙的形成，还可以模拟桩周土对桩身的挤压作用，因此可以实现桩—土耦合分析[8]。

岩体材料为弹塑性材料,采用Mohr-Coulomb强度准则。本次计算中微型桩与岩土体所采用基本参数如表1所示。

表1 微型桩—岩土参数表

3.1 设桩位置对边坡稳定性的影响

图1中边坡坡脚到坡顶水平距离为L=30 m,并以中排桩与碎石土基岩岩层交界面处交点与坡脚水平距离为Lx。以设桩倾角θ=30°，0°(即垂直于水平、垂直于坡面)两种设桩角度分别建立计算模型，通过改变微型桩的设桩位置(即Lx/L)，得到边坡稳定性系数与设桩位置Lx/L的关系曲线图如图3所示，随着微型桩设桩位置距离坡顶越来越近，边坡稳定性系数Fs先增后减，并且在Lx/L=2/3处达到最大值，此位置设置的微型桩能够充分发挥其加固作用，将边坡的临界滑动面降到最小，边坡的安全系数最高；当微型桩设置于坡脚与坡顶位置时，微型桩加固前后对边坡稳定性影响较小，加固前后边坡破坏滑动面大抵位置相同，微型桩无法对滑体的下滑起到支挡作用。对比倾角30°与0°两条曲线则可发现倾斜设置的微型桩加固效果要好于铅垂设置的微型桩，说明设桩倾角对微型桩加固效果有较大影响。

3.2 设桩倾角对边坡稳定性的影响

在前文分析的基础上可知，设桩位置位于边坡中部靠上约Lx/L=2/3位置时，微型桩加固效果最好，同时设桩倾角会对微型桩加固效果产生较大影响。因此，对设桩位置位于边坡中部偏上的微型桩，改变其设桩倾角，分别对倾角θ=-30°，-20°，-10°，0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°十种设桩倾角微型桩加固模型进行模拟分析，得到图4所示设桩倾角与边坡稳定性的关系曲线图。从图4可以看出，在θ=-30°～0°区间范围内，边坡稳定性系数随倾角变化小幅度上升，在θ=0°～60°区间范围内，边坡稳定性系数先降低后上升，在设桩倾角θ=50°时达到最大值。对于倾角30°的浅层堆积层边坡，要想微型桩发挥最好的加固效果，最优设桩倾角应为50°。

3.3 锚固深度对边坡稳定性的影响

微型桩通过深入滑动面之下，嵌入边坡底部基岩，使下部基岩与上部破碎滑体形成一个有机的整体，从而达到抗滑的效果。因此微型桩的桩身锚固深度设计是微型桩设计中的重要参数之一，锚固深度的变化会对桩身内力以及桩身变形造成很大的影响。通常情况下，微型桩桩身内力值随着锚固深度的增加而逐渐增加，柱体侧移逐渐减小，边坡稳定性提高；但是当微型桩的锚固深度达到一定长度时，增加微型桩锚固长度不再对桩身内力与桩侧位移造成影响，同时边坡加固效果提高也不再明显。

在前文分析基础上可以得知，当微型桩设桩倾角θ=50°，设桩位置位于边坡中上部(即Lx/L=2/3)时，微型桩能够充分发挥其加固效果，此位置设置的三排微型桩平均自由段长度La=5.32 m。为研究微型桩锚固深度对其加固堆积层滑坡效果的影响，取其锚固深度与自由段长度比值La/Lb=1/5，2/5，3/5，4/5，1，6/5，7/5，8/5七组边坡模型进行数值模拟分析，研究完整岩层地基中微型桩锚固深度对微型桩加固堆积层滑坡效果的影响。得到边坡稳定性系数与锚固深度的关系图如图5所示，对于该完整岩层地基堆积层滑坡来说，随着嵌固深度与自由段长度的比值La/Lb的增加，微型桩加固边坡安全系数不断升高，在La/Lb=1.0时趋于平稳，在此之后微型桩锚固深度的增加对边坡稳定性产生的影响不再明显。因此，对于微型桩支护此边坡的锚固深度最优长度约为5.32 m。在进行微型桩设计时，既要考虑边坡的安全因素，同时也要考虑经济的合理性。

4 结语

利用岩土工程专业有限差分元软件FLAC3D，建立三维微型桩—堆积层边坡数值模型，研究微型桩主要设计参数对微型桩加固浅层堆积层边坡效果的影响，结果对微型桩布桩型式的合理选择以及对这种柔性支护结构工程设计有着重要的指导意义，在经济投入相同的情况下，采用一种加固效益最好，安全程度最高的设桩型式无疑是微型桩这种轻型设计工作的重心。因此本文通过数值模拟对不同工况下微型桩加固某浅层堆积层滑坡稳定性进行综合研究分析，为微型桩这种轻型支挡结构体系在边坡支护设计研究中的设桩形式选择给出以下几点建议：

1)将桩设在边坡中部靠上位置(即Lx/L=2/3)时，微型桩对边坡的加固效果最好；微型桩设于坡脚与坡顶位置时，边坡滑动面与未设桩时相似，微型桩支护前后对边坡安全系数变化影响不明显，此时微型桩并没有充分发挥其加固效果；

2)对于浅层堆积层滑坡，传统的铅垂设桩并不能够充分发挥微型桩的加固效果，微型桩设桩倾角对微型桩加固效果存在很大影响，微型桩加固边坡时存在最优设桩倾角，对于该堆积层边坡，最优设桩角度约为50°；

3)桩身锚固深度对微型桩加固效果有着显著的影响，当锚固深度较小时，微型桩无法充分发挥其支护效果，微型桩会随滑体滑动发生翻倒破坏；在一定范围内，随着锚固深度的增加，边坡稳定性系数不断增加；当微型桩锚固深度达到最优长度时，锚固深度变化对边坡稳定性系数产生的影响不再明显，此时增加锚固深度对微型桩的加固效果影响甚微，增加锚固深度会造成大量的经济浪费。对于该堆积层滑坡，最优自由段长度与锚固段长度比值约为1.0。