抗滑桩对边坡安全系数的影响

抗滑桩对边坡安全系数的影响

肖缔，朱远杰，马燚，杨鑫，刘原

（中建八局西南分公司  成都  610043）

摘要：利用 ABAQUS 软件对边坡进行模拟，运用强度折减法，分析抗滑桩不同桩长、桩位、桩径及桩土模量比对边坡安全系数的影响。实例计算结果表明：满足抗滑桩平面布置要求时，桩长越长，对边坡抗滑作用越好；将抗滑桩设置于边坡底部比设置在边坡中部或坡顶抗滑效果好；增大桩径可以非常有效的增加边坡的安全系数；安全系数随抗滑桩的弹性模量增加成线性增加趋势。

关键词：抗滑桩；安全系数；边坡稳定；

1引言

随着人们对生活品质的提升，坡地建筑以其独有的环境优势，被更多的人所偏爱。坡地建筑最重要的就是保证边坡的稳定性，抗滑桩以抗滑能力强、支挡效果好、桩位灵活和对滑体扰动小等优点被广泛运用于实际工程中。目前对抗滑桩已做了很多研究，但由于地质条件复杂，一些研究尚存局限性，还有待进一步探索。影响边坡安全系数的因数有很多，抗滑桩本身的桩径、间距、位置、桩长、桩体材料等都会影响边坡的安全系数[1~2]。此外，两个桩之间土拱效应、降雨、渗流，土体内摩擦角φ、粘聚力c、土压力作用形式等也对边坡安全系数影响很大。通过有限元软件分析，寻找最佳桩位布设位置、间距、深度等参数，在满足边坡稳定性的同时达到最好的经济效益。

2工程概况

工程位于山城重庆，建筑面积50700平方米，建筑层数为6层，建筑高度24m。本项目为坡地建筑，地势北高南低，最高点高程358m，位于场地北侧；最低点高程318m，位于西南侧，最大高差约40m。据地面调查和钻探，场地内有第四系全新统人工填土层素填土（Q4ml）、残坡积层粉质粘土（Q4el+dl），下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组泥岩（J2S-Ms）、砂岩（J2S-Ss）。建筑分为上下两台阶，最大高差为10米，采用抗滑桩支护。

3. 模型建立

3.1 计算模型 

本文基于有限元软件 ABAQUS 建立三维有限元仿真模型计算边坡在抗滑桩支护作用下的安全系数。本文选用 Mohr-Coulomb 模型和线弹性模型作为本构模型。模型边坡高度为20m，宽度为30m，坡比为 2:3，坡底厚度为 10m，土体泊松比μ为0.25，黏聚力c为15，内摩擦角𝝋为30°。抗滑桩弹性模量 Es为30000000，泊松比μ为0.2，抗滑桩密度为2400kg/m³。土体模型尺寸为60m×30m×1.6m，详细见图3.1。

图3.1  土体与抗滑桩模型图

3.2 数据分析

（1）不同桩长对边坡安全系数的影响

桩径为0.8m、桩土模量比为300的情况下，计算得出桩长分别为18m、20m和22m时边坡的位移云图、塑性应变云图和安全系数图，如图3.2.1 所示。图中可以清晰地看出边坡的滑动面，坡顶与抗滑桩间滑体位移比坡底与抗滑桩的位移小。随着桩长的增加，滑体的最大位移分别为5.77mm、5.30mm 和 3.55mm，最大位移逐渐减小。滑体塑性区均没有绕过抗滑桩，塑性区从坡底贯通到抗滑桩一侧，说明桩长设置在18-22m对上侧滑体抗滑效果好，设置抗滑桩对边坡安全系数有明显提升；桩长在 18m 增加到 20m 安全系数Fs 增长较快，桩长从 20m 增加到22m安全系数增长变缓，说明抗滑桩从没贯穿坡底层到贯穿坡底层安全系数 Fs 增加迅速，抗滑桩在贯穿边坡底部后继续增加桩长对安全系数 Fs的增加效果不明显。

图3.2.1不同桩长位移图

图3.2.2不同桩长塑性应变云图

图 3.2.3  不同桩长安全系数Fs

（2）不同桩径对边坡安全系数的影响

在桩长为20m、桩土模量比为300的情况下,对不同桩径安全系数进行研究。计算结果得出桩径分别为0.8m，1.0m和1.2m时边坡的位移云图、塑性应变云图和安全系数图，如图 3.2.4、3.2.5所示。 图中清晰地显示出边坡的滑动面，坡顶与抗滑桩间滑体位移比抗滑桩与坡底的位移小。随着桩径的增加，滑体的最大位移分别为3.55mm，4.29mm 和 4.63mm，最大位移逐渐增大，说明增大桩径可以增加边坡破坏前土体的位移值。随着桩径的增大抗滑桩底部土体的塑性区也逐渐增大，说明桩径若太大可能会在抗滑桩后形成一个更大的滑体。滑体塑性区均没有绕过抗滑桩，说明桩径设置在 0.8-1.2m 对上侧滑体抗滑效果好。桩径在 0.8m 增加到 1.0m 安全系数 Fs 增长快速，桩长从 20m 增加到22m 安全系数增长也很迅速，随着桩径的增加，安全系数Fs 数值增加的效果明显。

图 3.2.4不同桩径位移图

图 3.2.5不同桩径塑性应变云图

图 3.2.6不同桩长安全系数Fs

（3）不同桩位对安全系数的影响

桩长为20m、桩径为 0.8m、桩土模量比为300 的情况下，对不同桩位边坡安全系数Fs进行研究。本文通过桩靠近桩前土一侧到坡趾距离 Lx的不同定义桩位。由于研究的桩长为 20m，原先设置的坡底厚度 10m 不够深，故增加坡底厚度为 20m以便分析。根据有限元计算结果可知，抗滑桩 Lx 分别为 3m，15m 和 27m 时边坡的位移云图和塑性应变云图，如图 3.2.7，3.2.8 所示。图中清晰地看见边坡的滑动面。当抗滑桩位于坡趾附近时，土体的最大位移位于坡顶顶面至坡顶深度一定范围处，位移最大值圆弧分布，若产生滑坡则滑体位于边坡上侧，说明抗滑桩设置于坡趾处边坡加固效果最好。由土体塑性应变云图可知，土的塑性区位于坡体深处，几乎不可能出现滑坡；当抗滑桩位于滑坡中部时，土体最大位移只传递到抗滑桩附近，但没有加固坡体下部的土体，从塑性应变云图可知，土体塑性区主要分布与坡体深处，但滑坡附近也有数值较小的塑性区，坡体上部土体的塑性区被设置在中部的抗滑桩隔断，坡体下部土地沿着坡趾底部贯通到抗滑桩一侧，抗滑效果不佳；当抗滑桩设置与坡顶附近时，土体的最大位移位于坡顶处附近，从塑性应变云图可知，土体塑性区大部分位于坡体深处，也有较小数值的塑性区绕过了坡顶设置的抗滑桩，说明当发生滑坡破坏时，会形成很大的滑坡体。

图 3.2.7  不同桩长安全系数Fs

图 3.2.8  不同桩位塑性应变云图

4.结束语

通过上述模型分析得出以下结论：

1）随着桩长增加，边坡的安全系数 Fs 逐渐增加，抗滑桩在贯穿边坡底部后继续增加桩长对安全系数 Fs 的增加效果不明显。

2）增加桩径可以显著的增加边坡的安全系数Fs，但桩底土体的塑性区也会逐渐增大。

3）抗滑桩设置在坡趾附近效果较好，坡趾附近的土体位移量较大，塑性区也较大。

4）增大桩土模量比对边坡土体的位移影响很小，对土体塑性区影响较大，随着桩土模量比的增加，土体塑性区从贯穿抗滑桩并延后一段距离到逐渐向坡趾方向缩小。

通过数值模拟分析抗滑桩的桩径、桩长、位置等参数，同时结合具体的地质条件、施工难度、经济效益、支护效果等因素综合考虑， 得出兼顾边坡稳定性及经济性，又便于施工的抗滑桩参数。

参考文献

[1]周德培,肖世国，夏雄.边坡工程中抗滑桩合理桩间距的探讨[J].岩土工程学报,2004,26(1):133-135.

[2]雷文杰，郑颖人，冯夏庭.滑坡治理中抗滑桩桩位分析[J].岩土力学与工程学报,2006,27(6):951-954.