基于Midas/GTS的抗滑桩锚固位置和深度分析

郑齐银

（山西交科岩土工程有限公司，山西 太原 030012）

我国国土辽阔，有三分之二的面积为山地，复杂地形地貌造就了很多自然滑坡。随着经济社会的发展，各大交通要塞打通，随之而来的是大量边坡需要治理，特别是高边坡。抗滑桩作为一种边坡加固措施，在工程中被广泛应用。然而工程中大多以类比和经验设计为主，抗滑桩理论研究相对较少，本文将结合某高边坡工程实例，分析研究抗滑桩的承载特性。

一、工程概况

本文依托的某省高速公路工程高边坡工段，地势呈南北向，南高北低，地势险峻，坡体最大高差达到200m，线位走向形成多处滑坡危险点，工程难度高。该工程的高边坡位于桩号k6+600～k6+750段。地勘报告显示，该区段地层自上而下分别为填土、风化土和泥岩。此次高边坡的模拟计算选取桩号为k6+670的最危险截面，如图1所示。其中土体平均厚度为12m，风化土平均厚度为14m，泥岩的平均厚度为18m。经过现场踏勘，现状土体经过风化、崩塌，局部已经出现失稳状态，急需治理。根据工程类似经验，拟定实施边坡的削坡减载，同时加以抗滑桩支护。每级边坡坡率为1∶1.25，坡高为8m，坡间设置2m宽马道。

图1 k6+670断面

二、数值模拟分析

（一）模型的建立

以研究抗滑桩锚固深度和位置影响边坡稳定性的规律为目的建立模型。基于以往建模经验，模型长度设置为165m，高设置为70m。根据地勘断面图中的土层分界面，分别模拟填土、风化土和泥岩。为确保计算精度和速度，将其网格划分为1m、2m、3m。模型模拟中各参数和本构模型选择如表1所示。

表1 模型参数表

强度折减法在边坡稳定性分析中被广泛应用。在数值模拟中，采用Midas/GTS中强度折减法分析削坡后边坡的稳定性，确认削坡后边坡潜在滑动面的位置如图2所示。计算结果显示，边坡潜在滑动面位于素土和风化土岩层交界面位置，此时边坡安全稳定系数为1.16，未达到国家规范要求的边坡安全稳定系数值（1.3），因此需采取有效的边坡支护措施，提高边坡安全稳定性。根据边坡潜在滑动面的位置，拟定在边坡中下部布设抗滑桩支护。拟定抗滑桩的布设位置为图1工况1～工况3的位置，抗滑桩的截面尺寸均为1.5m×2m，抗滑桩锚固深度为潜在滑动面以下6m、10m、14m的位置，共计9种工况。

图2 边坡有效塑性区云图

（二）计算结果分析

1.边坡稳定性分析

通过计算9种工况的边坡稳定性得到的边坡安全稳定系数，如图3所示。

图3 边坡安全稳定系数

由图3可知，在抗滑桩锚固深度和设置位置变化过程中，边坡安全稳定系数也随之发生变化，其中最小值为1.2（工况1，锚固深度6m），最大值为1.41（工况3，锚固深度为14m），边坡稳定性从欠稳定逐步变为稳定状态。这说明抗滑桩设置位置和锚固深度是影响边坡安全稳定的因素，同时也证明抗滑桩设置是有效的，抗滑桩的设置改变了原有土体的受力状态，加强了滑动土体与滑床之间的相互作用，实现了抗滑的目的。

横向对比分析，随着抗滑桩锚固深度的增加，边坡的稳定性会随之提升。边坡稳定系数增长幅值最大的区段为抗滑桩锚固深度从6m增加至8m时的工况。由图3可知，抗滑桩稳定系数增长呈曲线变化，稳定系数增长率随着锚固深度的增加逐渐减小。导致这种结果的原因是抗滑桩作为一种被动桩，如前文所述抗滑机理，抗滑桩锚固深度的增加对边坡稳定性的增长具有一定局限性，锚固深度达到一定限值后，后续区段的锚固深度对边坡稳定性影响不大，仅可作为抗滑桩边坡的一种安全储备。抗滑桩分别设置在不同位置，但都集中设置在边坡中下部位，这些部位均是边坡潜在滑动面出现塑性区变化最大的区域。

纵向对比分析，抗滑桩的设置位置不同：工况1中抗滑桩埋设于最大塑性区下方，工况2中抗滑桩埋设于最大塑性区中，工况3中抗滑桩埋设于最大塑性区上方。边坡的稳定性呈现不同的变化，其中工况1这种设置方案的边坡稳定系数值最小，工况3的边坡稳定系数值最大，也是边坡最稳定的工况。这说明抗滑桩的埋设位置应充分考虑最大塑性区的位置，埋设于最大塑性区下方的工况（工况1）对边坡安全稳定提升不如埋设于最大塑性区中或上方位置，埋设于最大塑性区中上部的抗滑桩能有效地限制土体的塑性形变，改变土体受力情况，有效减少土体的位移，提高边坡稳定性。同时也说明，抗滑桩埋设于最大塑性区上部区域，对边坡稳定性提高最有利。

2.边坡位移分析

各工况边坡在施加抗滑桩后的水平位移云图类似，以工况2、锚固深度10m为例，此时的边坡稳定系数为1.32，边坡安全稳定系数大于1.3，处于稳定状态，如图4所示。

图4 边坡水平位移云图

由图4可知，施加前，边坡水平位移最大值在坡脚处；施加后，边坡水平位移最大值集中在桩顶部区域，边坡的水平位移最大值为8.71cm。这说明，抗滑桩—土体—滑床三者相互耦合作用，减小滑体下滑趋势。

分析施加抗滑桩前后边坡竖直方向位移情况后，其计算结果显示，施加抗滑桩前后，边坡的竖向位移变化不大，仅在数值上有微小变化，边坡的最大数值位移值为2.89cm。这样的结果说明抗滑桩对于边坡竖向位移的限制作用有限。

3.抗滑桩受力分析

抗滑桩作为一种支护结构不仅要保证有效作用于滑动土体，还要能承受土体滑动荷载，有一定的强度和刚度要求，因此分析抗滑桩受力情况很有必要。

图5 桩身剪力图

分析各工况下桩身剪力，选择具有代表性工况，如图5所示。图例中1-10表示工况1，锚固深度为10m，其他图例以此类推。各工况下抗滑桩所受到剪力变化趋势一致，自上而下剪力图整体分布情况是逐渐增大。桩身所受剪力值在距离桩顶13m～14m处出现最大值，此处所受的剪力发生反向突变。还可得出，在所有工况中，工况2-10（工况2，锚固深度为10m）的剪力值最小，此时边坡稳定系数为1.32。

图6 桩身弯矩图

分析各工况下桩身弯矩变化情况，选择具有代表性的工况，如图6所示，图例同上。抗滑桩弯矩值自上而下呈S形变化，弯矩值在桩身13m～14m处突变反向，这与前述剪力值突变位置对应，这说明在抗滑桩的设计中，桩身13m～15m设计范围内应加强设计。弯矩值变化最小的工况为工况2-10。

综上所述，抗滑桩最薄弱部位位于距桩顶13m～14m中下处，而边坡潜在滑动面在位于桩顶以下10m处，抗滑桩危险截面与边坡潜在滑动面并不在同一位置。根据计算结果，抗滑桩设计应从实际出发，选择最经济合理的方案，抗滑桩在保证边坡稳定性的前提下，桩身长度越小经济性越好、工期越短。在本文研究中，工况2-10边坡稳定系数为1.32，桩身所受剪力和弯矩在所有工况中最小。

三、结语

本文基于Midas/GTS分析研究边坡的稳定性，主要分析了边坡支护中抗滑桩锚固深度和设置位置的9种工况。在边坡工程中，抗滑桩实施对边坡稳定性提高是有效的，同时抗滑桩锚固深度和设置位置会在一定程度上影响边坡稳定性。抗滑桩锚固深度的增加，有利于提高边坡稳定性，但对边坡稳定性的提升具有一定局限性，这主要与抗滑桩作用机理有关。抗滑桩的最佳设置位置应与边坡的最大塑性区结合考虑。抗滑桩应设置在边坡最大塑性区中上部，这样才能充分发挥抗滑桩的抗滑性能。抗滑桩锚固深度增加有利于减小桩身剪力值和弯矩值，抗滑桩合理设置位置也有利于减小桩身弯矩值和剪力值。综上所述，考虑桩身强度和边坡稳定性，选择经济合理的方案2-10（工况2，锚固深度为10m）为本文推荐方案。