高边坡不同工况稳定性分析与抗滑桩设计参数优化.pdf

工程设计 2023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究摘要：为了提升高边坡设计水平，文章依托某山区公路 4 级高边坡，分别基于简化 Bishop 法和有限元法计算了边坡在天然状态、降雨工况、地震工况下的安全系数。同时，利用 ABUQUS 软件计算了抗滑桩桩长和桩间距对桩身最大水平位移和高边坡稳定性的影响，得到了最优桩长和桩间距。关键词：高边坡；稳定性分析；安全系数；抗滑桩Abstract:In order to improve the design level of high slope,based on the grade 4 high slope of a mountain highway,the safety factors of the slope under natural condition,rainfall working condition and earthquake working condition are calculated based on the simplified Bishop method and the finite element method respectively.At the same time,the influence of anti-slide pile length and pile spacing on the maximum horizontal displacement of the pile body and the stability of high slope is calculated by ABUQUS software,and the optimal pile length and pile spacing are obtained.Key Words:high slope;stability analysis;safety factor;anti-slide pile分类号：U416.14随着基础交通设施的完善，越来越多的公路工程开始在山地丘陵区域建设。为了保持路线线形的平顺，不可避免会开挖山体，形成大量挖方边坡。在公路工程中，一般将高度 30 m 的路堑边坡定义为高边坡。高边坡变形机理较复杂，稳定性影响因素较多，尚没有统一的计算理论。如果高边坡稳定性分析措施或加高边坡不同工况稳定性分析与抗滑桩设计参数优化潘 飞湖北省核工业地质局，湖北 孝感 432000Stability Analysis of High Slope under Different Working Conditions and Optimization of Anti-slide Pile Design ParametersPAN FeiHubei Provincial Bureau of Nuclear Industry Geology,Xiaogan 432000,Hubei,China049.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.固措施不合理，可能导致边坡在施工、运营期间出现整体滑塌，造成严重的经济损失和人员伤亡。目前，高边坡稳定性分析分为定性分析和定理分析两个阶段，前者包括工程类比法、图解法、赤平投影法等，后者包括极限平衡法、数值计算法1。抗滑桩具有承载能力强、抗滑效果好等优势，在高边坡治理中取得了广泛应用，但个别设计人员在制订抗滑桩加固边坡方案时往往参考其他相似项目，不重视设计参数的综合比选。因此，进一步研究高边坡稳定性分析及抗滑桩设计参数优化具有重要的工程价值。1 工程概况文章以某山区公路连接线的高边坡为研究对象展开计算。该连接线总长 5.8 km，设计标准为 2 级公路，设计速度为 40 km/h。高边坡最大高度为 35.5 m，共四级边坡，其中一三级边坡开挖高度均为 10 m，坡率为 1 0.75；四级边坡开挖高度为 5.5 m，坡率为 1 1。（1）工程地质。由地勘资料可知，高边坡岩土体整体较碎裂从上至下分别为碎石土、全风化砂岩、强风化砂岩，高边坡岩土体计算参数如表 1 所示。表 1 高边坡岩土体计算参数（2）降雨、地震情况。项目所处区域为温带大陆性季风气候，年降水量较大，降雨形式以台风暴雨和梅雨暴雨为主，且主要集中在 710 月份，年平均降作者简介：潘飞，男，硕士，工程师，研究方向为岩土工程勘察、设计。岩土体重度/（kNm-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（）泊松比碎石土18.515200.30全风化砂岩22.022280.28强风化砂岩23.525300.25151工程设计工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月水量为 1 285 1 366 mm。由中国地震动参数区划图（GB 183062015）确定高边坡所在位置的本地震峰值加速度为 0.10g，基本地震烈度为 7 度。在计算高边坡安全系数时，需考虑地震力的影响。2 不同工况下高边坡的稳定性2.1 稳定性分析方法根据公路路基设计规范（JTG D302015），规模较大的碎裂结构岩质边坡宜采用简化 Bishop 法计算，边坡破坏机制复杂可采用数值分析法。由于该边坡整体较破碎，拟采用简化 Bishop 法和有限元法共同分析其稳定性。（1）简化 Bishop 法。简化 Bishop 法将边坡滑坡体视为刚性体，按某一尺寸将滑体划分成多个条块，并通过式（1）计算任意条块的抗倾覆力矩得到边坡安全系数。()tan/()siniiiiiisiiicbWQmFWQ+=+（1）式中：Fs为边坡安全系数；ci为第 i 个条块的黏聚力，kPa；bi为第 i 个条块的宽度，m；Wi为第 i 个条块的重力，kN；Qi为第 i 个条块的竖向作用力，kN；为第 i 个条块的摩擦角，（）；mi为计算系数，无量纲；i为第 i 个条块的滑面倾角，（）。（2）有限元法。有限元法计算高边坡稳定性时可以塑性贯通区、位移、应力等为收敛盘踞，得到岩土体内任一点应力应变关系，并在短时间计算边坡在多种工况下的安全系数，大幅提升边坡稳定性分析效率和准确性。2.2 高边坡计算工况该高边坡在计算安全系数时选择三种工况：天然状态下，岩土体参数参考表 1，地下水位取现场实测水位；暴雨工况下，岩土体参数按 0.8 倍进行折减，地下水位升高 2 m；地震工况下，岩土体参数取天然工况，水平地震系数为 0.15。2.3 基于简化 Bishop 法分析边坡稳定性（1）计算模型。高边坡安全系数利用计算软件加拿大 Toronto Rocsicence Inc.公司研发的 RocsicenceSlide软件。在计算前，需先在 AutoCAD 软件中绘制好边坡剖面图，比例尺为 1 1 000，按地层划分面域，以DXF 文件格式保存，直接导入 RocsicenceSlide 软件。随后，给各岩土层分别赋予计算参数，并通过自动搜索滑动面计算不同工况下的边坡安全系数。（2）计算结果。不同工况下的边坡安全系数计算结果如图 1 所示。1.2701.0131.0010.15图 1 不同工况下的边坡安全系数计算结果相关规范对二级公路高边坡稳定状态判据的规定如下：安全系数 1.05，边坡为不稳定；安全系数为1.05 1.15，边坡欠稳定；安全系数为 1.15 1.25，边坡基本稳定；安全系数 1.25，边坡稳定2。由图 1可知，该高边坡在天然状态、暴雨工况、地震工况下的安全系数分别为 1.270、1.013、1.001，则其对应的稳定状态分别为基本稳定、不稳定、不稳定。2.4 基于有限元法分析边坡稳定性（1）计算模型。模型尺寸及网格划分：利用 Ab-aqus 建立高边坡三维模型，模型在 X 方向长 150 m，Y 方向高 80 m，Z 方向延伸 10 m。模型屈服准则选择Mohr-Coulomb 本构，采用六面体实体单元模拟边坡岩土体。在综合考虑计算精确和计算效率的前提下，适当加密碎石土和全风化砂岩的网格尺寸，取 1 m，其他部位网格尺寸取 3 m，共划分出 8 950 个单元、11 791 个节点。边界条件：边坡底面为不透水边界，同时约束 X、Y、Z 三个方向位移；边坡左侧为排水边界、右侧为水头荷载边界，左右两侧仅约束 X 方向位移；边坡顶和坡面为排水边界，且可以自由变形3。（2）计算结果。经计算，该高边坡在天然状态、暴雨工况、地震工况下的安全系数分别为 1.310、1.035、1.018，对应的稳定状态分别为基本稳定、不稳定、不稳定。相对于极限平衡法，有限元法计算的高边坡安全系数偏大，分别为极限平衡法计算结果的 1.03 倍、1.02 倍、1.02 倍。综上，该高边坡在降雨和地震工况下的稳定性较差。为了保证高边坡在建设和运营期间的安全性，需对其进行加固处理。3 抗滑桩加固高边坡设计参数优化该高边坡原设计方案是在坡脚布置一排抗滑桩承152工程设计 2023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究担下滑力，具体设计参数：抗滑桩长 28 m，桩间距 4 m，横截面积 4 m2，桩体材料为 C30 钢筋混凝土（弹性模量为 30 000 MPa，泊松比 0.2）。为了节约工程造价，拟对其桩长和桩间距进行优化。3.1 桩-土接触模拟抗滑桩是嵌入高边坡滑体内部发挥作用的，即在滑坡推力作用下，抗滑桩依靠锚固层基岩和桩间土体提供的被动抗力抵挡边坡滑动。在此过程中，桩土之间的相互作用会直接影响抗滑桩承载力的发挥。在优化设计时，可通过 ABUQUS 软件的 Interaction 模块定义桩-土间接触属性。桩-土间的接触属性有面面接触和点面接触两种4，其中点面接触“穿透现象”较严重，计算准确性较差，因此采用面面接触关系分析高边坡稳定性。3.2 抗滑桩桩长优化利用 ABAQUS 分别计算抗滑桩桩长为 20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m 时降雨+地震工况下的抗滑桩水平位移和边坡安全系数，计算结果如图 2 所示。2022242628302.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0最大水平位移安全系数抗滑桩长度/m最大水平位移/mm1.161.181.201.221.241.261.28安全系数图 2 不同桩长下高边坡位移和安全系数由图 2 可知，在抗滑桩间距和截面面积相同的条件下，随桩长的增加，桩身水平位移不断减小，高边坡安全系数不断增大5。当抗滑桩桩长从 20 m 提高至30 m，桩长每增加 2 m 抗滑桩最大水平位移分别减少0.61 cm、0.39 cm、0.23 cm、0.12 cm、0.06 cm，边 坡安全系数分别增加 0.032、0.030、0.028、0.01、0.007。这表明，抗滑桩越长，高边坡加固效果越好。但是当桩长超过 26 m 时，桩身位移的减小和边坡安全系数的增加并不明显，因此可以认为抗滑桩的最优桩长为 26 m，相对于原设计方案减小了 2 m。3.3 抗滑桩桩间距优化为确定合理的抗滑桩间距，利用 ABAQUS 软件计算了桩间距为 2 m、4 m、6 m、8 m、10 m 时抗滑桩的水平位移和边坡安全系数，如图 3 所示。2468101.82.02.22.42.62.83.03.23.43.63.8最大水平位移安全系数抗滑桩间距/m最大水平位移/mm1.101.151.201.251.301.351.40安全系数图 3 不同桩间距下高边坡位移和安全系数由图 3 可知，抗滑桩最大水平位移、高边坡稳定性均随桩间距的增加不断增大。桩间距与桩身最大水平位移基本呈线性正相关关系，桩间距每增加 2 m，抗滑桩最大水平位移平均增加 0.4 cm；当抗滑桩桩间距从 4 m 提高至 10 m，高边坡安全系数分别减小了 0.009、0.009、0.082、0.16。桩间距 6 m，高边坡安全系数变化不明显；桩间距 6 m，高边坡安全系数有骤降趋势。综上，判定该高边坡抗滑桩最佳桩间距为 6 m。4 结束语文章依托某山区公路高边坡项目，利用简化 Bish-op 法和有限元法共同分析边坡在不同工况下的安全系数，发现高边坡在天然状态下处于稳定状态，但是在暴雨和地震工况下的边坡安全系数均小于 1.05，处于不稳定状态，易造成整体滑塌，需采用抗滑桩进行加固。同时，利用 ABAQUS 软件计算了不同抗滑桩间距和桩长下高边坡的安全系数，研究成果表明：高边坡稳定性向随抗滑桩桩长的增加而增加，随桩间距的增加而减小。综合考虑高边坡加固的经济性和安全性，建议抗滑桩最优桩长取 26 m、最优桩间距取 6 m，以期为类似高边坡设计和施工提供一定的理论指导。参考文献1 杨永林.道路高边坡抗滑桩与锚索复合支护应用总结J.城市道桥与防洪,2022(12):63-67.2 冯忠居,孟莹莹,霍建维,等.改扩建公路岩质高边坡爆破开挖稳定性分析J.建筑科学与工程学报,2023,40(1):112-122.3 李先德.路堑高边坡稳定性及滑坡治理加固措施探讨J.福建交通科技,2021(12):17-20.4 汪洋.抗滑桩与格构梁支护高边坡的稳定分析D.广州:广东工业大学,2021.5 彭钟,张志超,熊雅文,等.ABAQUS 强度折减法在抗滑桩边坡稳定性监测中的应用J.西部交通科技,2021(2):25-27,79.