锚索抗滑桩加固边坡方案及其优化研究.pdf

-36-锚索抗滑桩加固边坡方案及其优化研究贾 冰（山西省公路工程监理技术咨询有限公司，山西 太原 030006）摘要：依托某高速路段的边坡进行了数值模拟研究，采用 Midas/GTS 有限元软件研究了预应力锚索抗滑桩边坡的稳定性、坡面位移、桩身弯矩变化规律，明确了抗滑桩应设置在贯穿塑性区的位置；坡面水平位移在抗滑桩顶部与坡面交界处最小；桩身最薄弱截面在桩身 10 m 处；桩前土体有利于减小坡面的水平位移、桩身弯矩。在此基础上对原方案进行了削坡减载的优化设计。关键词：锚索；抗滑桩；边坡稳定性；位移；弯矩中图分类号：U416.1 文献标识码：B Anchor-cable anti-sliding pile reinforcement scheme and its optimization researchJIA Bing（Shanxi Provincial Highway Engineering Supervision Technology Consulting Co.,Ltd.,Shanxi Taiyuan 030006 China）Abstract：The numerical simulation research is carried out based on the slope of a high-speed road section,and the stability,slope surface displacement,and bending moment of the prestressed anchor cable anti-sliding pile slope are studied by Midas/GTS finite element software.It is set at the position that runs through the plastic zone;the horizontal displacement of the slope surface is the smallest at the junction of the top of the anti-slide pile and the slope surface.The weakest section of the pile body is at 10 m of the pile body.The soil in front of the pile is conducive to reducing the horizontal displacement of the slope surface and pile body bending moment.On this basis,the optimization design of slope reduction and load reduction is carried out for the original scheme.Key words:anchor cable;anti-sliding pile;slope stability;displacement;bending moment引言公路在修筑和运营过程中受到雨水、气候等因素的影响，边坡防护结构的稳定性会受到不同程度的损坏，甚至会出现滑坡、坍塌等事故。对于锚索抗滑桩的研究，马帅帅1对预应力锚索抗滑桩的加固机理及影响因素进行了研究，分析了桩后土体在预应力下的荷载传递机理，对影响土拱效应的因素建立了数值计算模型。秦晓睿2对预应力锚索抗滑桩的边坡加固优化进行研究，借助有限元分析软件研究了边坡稳固的相关参数，根据数值模拟结果确定了工程的最佳设计方案。元瑛3在既有高速边坡支护结构损坏的基础上，采用锚索抗滑桩进行加固，确认了合理的加固锚索抗滑桩参数，对边坡的加固方案进行了优化。王鳌杰4总结了锚索抗滑桩的优势，将抗滑桩分为刚性和弹性两种物理模式进行分析，以工程实例采用两种方法进行计算和分析，证明了锚索抗滑桩支挡结构的优良性能。王彩芳5采用两种有限元软件分别对锚索抗滑桩的各变化参数进行了对比分析研究，得到最合理、经济的设计方案。唐云波6对预应力锚索抗滑桩支护下的边坡地震动力响应进行了研究，对地震荷载下边坡的动力响应参数进行了分析，其结果显示，地震作用下锚索抗滑桩的动力响应随抗滑桩的嵌入深度减小而增大，嵌入深度达到桩身长度 38%以上时，能有效地减小边坡的动力影响。预应力锚索抗滑桩在工程应用中还属于一种比较新型的支挡技术，在实际工程中应用广泛，但在设计中还相对保守，计算理论还不够成熟，理论成果滞后于实际应用。1 工程概况依托工程为某路堑高边坡，该路段路线呈南北走向，位于路线桩号为 K7+136.265K7+236.123，长约 100 m。东高西低，西侧有一河流，路线围绕山脉穿越，地形地貌起伏较大，地势陡峭，自然边坡地表植被发育良好，灌木丛生。踏勘过程中无不良水文地质，但在边坡处发现少量裂隙，坡体有滑收稿日期：2022-09-15作者简介：贾冰（1990），男，山西武乡人，工程师。2023 年第 3 期山东交通科技-37-动趋势，对路堑边坡的开挖极为不利，需对边坡进行治理。根据现场情况，拟对边坡进行锚索抗滑桩加固措施，抗滑桩设置于距坡脚 4.5 m 处，桩身长16 m，全部嵌入土层，桩身为矩形截面，截面尺寸为 1 m1 m。拟定锚索预应力为 100 kN，采用压力分散型锚索，保证锚索的嵌固力。见图 1，K7+170横断面为该路段路堑坡体最高，坡面最陡峭截面，此处的岩层条件较差，为顺层，对边坡的稳定性不利。原始地面线填土削坡线粉质黏土全风化玄武岩锚索抗滑桩强风化玄武岩309050图 1 K7+170 横断面/m对该路段的地层进行详细勘察，拟建路堑边坡自上而下为四层，分别为第四系人工填土层、第四系残坡积层、二叠系玄武岩。面层填土为杂色，含碎石，回填时间约 35 a，平均厚度 35 m；第二层为红褐色粉质黏土，平均厚度 4.6 m；第三层为黄褐色全风化玄武岩，呈硬塑状，平均厚度 6.5 m；第四层为绿黄、紫灰色强风化玄武岩呈致密状、块状，岩芯破碎呈碎块状，厚度约 610 m。2 数值模拟研究2.1 模型的建立本次模拟采用 2D 模型对边坡进行模拟，模型尺寸参考经验7，其具体尺寸为 90 m50 m。Midas/GTS 有限元软件对各种材料的模拟都内置了相应的本构模型，本次模拟的土层均采用摩尔-库伦（M-C）本构模型，抗滑桩和锚索均采用1D的弹性本构模型，抗滑桩的矩形截面尺寸为 1 m1 m，锚索分为自由段和锚固段，在自由段添加 100 kN 的预应力。在模拟过程中，填土的网格密度为 1 m，其余土层的网格密度为 2 m。锚索和抗滑桩的网格密度均为 1 m，确保网格的计算精度和模型的收敛性。模型具体参数依据地勘的详细情况选取，见表 1，最终建立的模型见图 2。表 1 模型参数名称弹性模量/MPa泊松比容重/（kN m-3）黏聚力/kPa内摩擦角/（）本构模型填土5.70.2517.51912M-C粉质黏土6.00.3019.32418M-C全风化玄武岩16.50.3022.53323M-C强风化玄武岩22.00.2523.63825M-C抗滑桩34 000.00.2024.5-弹性锚索200 000.00.2777.0-弹性图 2 有限元模型对边坡稳定性的分析，应主要分析边坡的变形以及稳定性，对边坡坡面的水平位移和边坡的稳定系数进行模拟计算。Midas/GTS 有限元软件可对边坡采用强度折减法（SRM）进行分析，强度折减法的原理是假定土体的抗剪强度参数黏聚力、内摩擦角值在计算过程中不断折减，直至土体达到临界破坏，此时的折减系数就为边坡的安全稳定系数。建模后模拟边坡的加固施工步骤：（1）模拟边坡的初始状态，位移清零；（2）施加锚索和抗滑桩模块，计算此时边坡的稳定性（SRM）；（3）开挖抗滑桩前的土体，计算此时边坡的稳定性（SRM）；（4）计算结果导出、分析。2.2 计算结果分析2.1.1 边坡稳定性分析研究边坡在自然状态下的稳定性有利于边坡支挡结构的设计。图 3 为边坡在自然状态下的有效塑形云图。图 4 为 SRM 法计算的边坡在各个施工阶段的边坡安全稳定系数。贾 冰：锚索抗滑桩加固边坡方案及其优化研究-38-图 3 边坡有效塑性区云图由图 3 可知，边坡在原始状态下塑性区主要集中在粉质黏土层，在粉质黏土与全风化玄武岩岩层交界处塑性区停止发育，这反映了粉质黏土与全风化玄武岩岩层交界处为坡体的潜在滑动面。锚索抗滑桩的设立范围应在边坡最薄弱处进行加强，可考虑在塑性区中部穿过，阻碍塑性区的贯通，土体在预应力锚索与抗滑桩共同作用下限制土体位移，提高边坡的稳定性。1.61.41.21.00.80.60.40.20稳定系数原始边坡锚索抗滑桩开挖桩前土施工阶段1.0251.3501.312图 4 边坡安全稳定系数由图 4 可知，原始边坡表示边坡为自然状态下的稳定系数，为 1.025，此时边坡为欠稳定状态。随着锚索抗滑桩的实施，边坡的稳定系数增长到了1.35，这说明预应力锚索抗滑桩的实施有效地隔断了坡体土层的塑性区，土层在向着抗滑桩滑动时受到了锚索抗滑桩的限制，土体在滑动界面上部向着坡面推动抗滑桩移动，同时抗滑桩下部又受到下层土对抗滑桩的反向抗力，锚索也通过锚固土层向抗滑桩提供抗力，提高了边坡的稳定性。最后在开挖桩前土体后，边坡的稳定性有所下降，这是由于桩前土体的挖除，使得桩上部的土压力降低，导致边坡稳定性下降到 1.31，此时边坡处于稳定状态。在实际工程中，桩前土体可作为锚索抗滑桩在实施过程中的安全储备。边坡稳定系数虽在一定程度上反映边坡的整体稳定性，但长远来看边坡的位移情况也很重要，特别是坡面的水平位移。图 5 为施加锚索抗滑桩和开挖桩前土两个阶段坡面的水平位移变化情况。181614121086420-2坡面高度/m锚索抗滑桩开挖桩前土-5 0 5 10 15 20 25 30 35水平位移值/cm图 5 边坡水平位移由图 5 可知，坡面的水平位移并非随坡顶到坡脚逐渐增大，而是在坡面高度为 8 m 处有转折，此处恰为桩顶与坡面的交界处。坡面 8 m 以上区域的水平位移值呈“C”形，两头较小，中间较大，坡面 8 m 以下区域的水平位移值迅速增大，最大值达到 34 cm，坡面的水平位移值较大，边坡的稳定性较差。对比两个施工阶段的坡面水平位移曲线，其整个曲线形态没有发生改变，呈“C”形，但开挖桩前土后坡面整体水平位移增大。说明桩前土体对坡面的水平位移有限制作用，减小坡面的水平位移，有利于提高边坡的稳定性。2.1.2 抗滑桩弯矩分析对各施工阶段抗滑桩的弯矩变化规律进行分析，见图 6。桩身高度/m锚索抗滑桩开挖桩前土弯矩/（kNm）1614121086420-800-600-400-200 0 200 400 600 800 1 000图 6 抗滑桩弯矩分析由图 6 可知，整体而言抗滑桩的弯矩呈连续“S”2023 年第 3 期山东交通科技-39-形变化，桩身弯矩呈上下两部分变化，在桩身高度为 4 m 处反向，4 m 以上部分的弯矩最大值大于 4 m以下部分，最大值出现在桩身高度 10 m 左右。开挖桩前土后，抗滑桩的弯矩值变化较大，整个形态呈连续“S”形变化，最大值出现在桩身高度 10 m 处，为 850 kNm。这说明开挖桩前土对桩身结构不利，抗滑桩在设计时应对桩身 10 m 处做加强设计。2.2 方案优化鉴于开挖桩前土后边坡坡面的水平位移值、抗滑桩的弯矩值较大，现拟对原方案进行优化，以1 1.5 的坡率于桩顶向坡顶进行削坡减载。削坡后的优化方案水平位移值和桩身弯矩见图 7、图 8。原始方案优化方案18161412108坡面高度/m2 4 6 8 10 12 14 16 18图 7 水平位移对比水平位移值/cm原始方案优化方案桩身高度/m弯矩/（kNm）1614121086420-800-600-400-200 0 200 400 600 800 1 000图 8 抗滑桩弯矩对比从图 7、图 8 可知，在削坡优化后的方案中，坡面水平位移、桩身弯矩形态与原始方案一致，但数值都减小，而边坡的稳定系数也从1.31增长到1.96，说明削坡减载的方案更为合理。3 结语对锚索抗滑桩边坡进行了数值模拟，通过 Midas/GTS 有限元软件，对加固边坡的稳定性、坡面位移、桩身弯矩的变化规律开展了研究，在研究结果的基础上提出削坡减载的优化方案，得到结论：（1）抗滑桩应设置在贯穿塑性区的位置，锚索抗滑桩有效地限制了塑性区的发展，提高了边坡的稳定性。（2）坡面水平位移在抗滑桩顶部与坡面交界处最小，在坡面高度 2 m 处最大。（3）桩前土体对边坡的坡面位移、桩身弯矩均有限制作用，有利于提高边坡稳定性。（4）桩身高度 10 m 处为桩身最薄弱截面，应加强此处设计。（5）削坡减载有利于减小坡面变形和桩身弯矩值，削坡减载方案更为合理。参考文献：1 马帅帅.预应力锚索抗滑桩加固机理及影响因素研究D.济南:山东建筑大学,2017.2 秦晓睿.预应力锚索抗滑桩加固边坡优化设计研究D.北京:中国地质大学（北京）,2015.3 元瑛.预应力锚索抗滑桩优化设计分析J.北方交通,2022（3）:58-60.4 王鳌杰.预应力锚索抗滑桩支挡结构在路基边坡防护中的应用研究J.公路工程,2018,43（1）:145-148.5 王彩芳.预应力锚索抗滑桩支护结构设计理论及稳定性研究D.重庆:重庆交通大学,2016.6 唐云波.预应力锚索抗滑桩支护下粉质黏土边坡地震动力响应研究D.重庆:重庆交通大学,2021.7 王婧.土质边坡抗滑桩支护稳定性分析及参数优化D.太原:太原理工大学,2017.