排桩加固边坡应力在土体内的分布特征研究

刘群丽

(广东城华工程咨询有限公司，广州 510660)

1 概 述

对于地质条件情况复杂的边坡工程，其加固措施的选择对边坡稳定性有着关键作用，工程设计中，通常采用小间距多排桩的加固方式，实现该类边坡在使用年限内的稳固可靠。

为了研究其对边坡的加固效果，许多学者对多种工况条件下抗滑桩加固后的边坡进行了研究。刘坤等[1]对我国2022年北京冬奥会用于滑雪项目修建的高填方赛道进行了抗滑桩加固条件下的数值研究，结果表明不进行抗滑桩加固，滑雪赛道在暴雨和地震条件下将会出现变形量大和稳定性低的情况，而抗滑桩的应用解决了这一问题。李涛等[2]通过建立缩尺模型，分别对不同桩间距时抗滑桩治理滑坡时桩体和附近隧道的受力特征进行了模型试验研究，结果表明随着桩间距增大，同等荷载条件下，桩体和附近隧道的应力随之增大；而同等桩间距条件下，随着荷载增大，桩体和附近隧道的应力也随之增大。冯玉涛等[3]针对堆积体形成陡斜坡，以某高速公路边坡工程为研究对象，从影响稳定性条件的差异性角度对堆积体陡斜坡的安全稳定性进行了深入的分析探讨。结果表明陡斜坡地形地貌坡度、坡脚的特殊临空特点、坡顶上的人为堆载是该类堆积体斜坡发生变形破坏、进而呈现失稳状态的关键因素，应采取针对性处治措施，避免上述可能存在的问题，或对上述问题进行处理。梁志荣等[4]通过南京实际山地环境下的一处建筑边坡，研究了山地环境中边坡的加固设计方法，结果表明采用多排抗滑桩的加固方式能够有效加固边坡，提高其抗滑稳定性，对不同的滑坡模式均有较好治理能力。邓方明等[5]针对高达30～50 m且处于山区以及下方为河流码头的顺层岩质边坡的稳定性加固措施采用Geo-slope软件进行了研究，结果表明组合式设计加固措施“格构锚索+抗滑桩”的支护结构在滑面上的抗力越大，产生的增强边坡稳定性的作用就越强。李新哲等[6]针对抗滑桩加固位置的确定方法进行了研究，结果表明基于滑带应力分析建立的抗滑桩加固位置确定方法确定的抗滑桩布置位置能够很好地提高安全系数，起到理想的加固效果。徐青等[7]针对边坡条间法向作用力的计算方法较为有限的问题，通过自编程序对Geo-SLOPE/W模块进行二次开发，实现了多方法计算条间法向作用力，结果表明该方法应用于工程实际中是合理而有效的。吕韶全等[8]通过地基的极限承载力方面的理论方法，对抗滑桩土拱效应进行了研究，获得了一种新的力学分析方法，专门用于计算土拱效应。王鹏斌等[9]采用的数值分析的手段，对门架式抗滑桩的相关设计参数优化方法和抗滑桩桩身的变形特征开展了分析研究，结果表明门架式抗滑桩桩间距和桩排距的设置对最后的变形有重要影响，应分别设置在范围是3 D～5 D和3 D～4 D的区间。李焕焕等[10]对乌江东岸高填方导致的堆积体边坡的几何形状和荷载情况发生变化后带来的稳定性不确定问题进行了支护措施研究，结果表明采用组合式支护结构“抗滑群桩+扶壁式挡墙”的加固方式后，稳定性明显提高，为类似工程的设计提供了样板。

上述研究成果均未涉及与土体内力相关的问题，而抗滑桩对边坡的加固效果，在土体内力的相互作用关系中体现明显。因此，本文结合某山区土体加固的实际边坡工程，从土条间相互作用力的研究角度，采用Geo-studio软件对排桩加固边坡后的边坡稳定问题进行研究。

2 工程概况

该实体边坡位于广东省西部山区，边坡横剖面见图1。构成边坡的各层材料主要有新近纪风化土、软质岩和硬质岩组成，各层岩土体的物理力学性质见表1。

图1 边坡横剖面图

表1 岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

采用Geostudio软件，根据实体边坡模型尺寸进行建模分析。其中，设计采用四排桩进行加固，桩间距为2 m，按照实际边坡模型的坡度进行建模分析。

四排桩基的位置布置见图2。桩基采用打入固定端的承载模式，按照设计嵌入基岩深度5 m进行数值建模，桩的强度为400 kPa，桩排距为2.5 m，桩间距为2 m，采用矩形界面桩，桩的截面惯性矩(IY和IZ)为5.55×103m4，设计有效剪切力为其自身强度的最大值400 kPa。在模拟中，抗滑桩作为一种加固荷载存在[11-12]。

图2 抗滑桩分布特征图

3.2 法向压应力和切向剪应力

计算结果图见图3。土条间相互作用的法向作用力随着x坐标的变化趋势见图4。

由图3可知，经过排桩的加固后，该工程边坡变得十分稳定。其失稳滑面仅为近表层土体部位，说明下部抗滑桩加固起到很好的效果，同时说明桩的强度能够实现在该类边坡的有效加固。

图3 求解分析结果图

图4 土条间法向力随x变化图

由图4可知，土条间的法向力先增大后减小，增大段较短，减小段较长。因此，曲线在上升阶段的斜率较大，表明边坡在近坡顶位置处的土体相互之间的推挤作用较强，说明土体有明显的向右侧运动的趋势，最大值为209 kN，对应土条的x坐标值为16.9 m。越过该极大值后，土条间的法向力逐渐变小，变化曲线随着x值的增大而降低，但曲线斜率较小，说明排桩起到了很好的抗滑作用。

由图5土条间的切向力随x值的变化趋势可知，土条间的切向力先增大后减小，增大段较短，减小段较长。因此，曲线在上升阶段的斜率较大，表明边坡在近坡顶位置处的土体相互之间的推挤作用较强，说明土体有明显的向右侧运动的趋势，最大值为43.6 kN，对应土条的x坐标值为22.3 m。越过该极大值后，土条间的切向力逐渐变小，变化曲线随着x值的增大而降低，但曲线斜率较小，说明排桩起到了很好的抗滑作用。

图5 基底总正应力随x变化图

4 结 论

通过对山区某边坡在排桩加固条件下的土条间作用力分析研究，获得排桩加固边坡后土体内力变化特征，结论如下：

1) 随x值的增大，土条间的法向力先增大后减小，增大段较短，减小段较长。边坡在近坡顶位置处的土体相互之间的推挤作用较强，而随着排桩发挥作用，土条间的法向力逐渐变小。

2) 土条间的切向力有着与法向力相似的变化趋势，曲线斜率在上升阶段较大，下降阶段较小，表明排桩发挥了很好的抗滑作用。

3) 边坡土体间的作用力复杂，详细分析了排桩加固边坡土体中土条间相互作用力随着x坐标的变化趋势。