公路高边坡抗滑桩优化设计研究

公路高边坡抗滑桩优化设计研究

徐荫慧

杭州通和交通设计咨询有限公司  浙江 杭州  310000

摘要：公路高边坡的加固方法较多，常见的有挡土墙、锚杆框架梁、三维网植草护坡、圬工防护、预应力锚杆（索）等，需结合不同地质、地形环境采用不同的加固方案。公路高边坡的锚固防护多采用离心模型、理论公式、现场监测等方法进行工程类比分析，但据此采用的高边坡防护设计方案一般存在较大的安全冗余度，会增大施工防护的成本。为此，结合实际工程需要，优化公路高边坡安全防护方案有重要意义。

关键词：公路高边坡；抗滑桩；优化设计

1公路高边坡抗滑桩应用的意义

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＞30m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。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。

2公路高边坡抗滑桩优化设计

某公路边坡位于山坡与河流交接的陡坡上，场地地质条件复杂，主要由回填土、粘土、碎石、泥岩和碎煤等组成，土质边坡基岩埋藏深度在0～22m之间，地下水较为丰富。该边坡工程土体成分复杂，其原有上覆盖土体强度过低，土体为保障项目正常进展，根据现场勘查资料及相关工程经验，将土层简化为二层土，上覆盖土层简化为粘土，下层土为中风化泥岩，根据现场勘查资料及相关工程经验类比得到土层、岩层相关计算参数如下表1所示。

2.1布桩位置优化分析

结合该边坡工程特点以及相关工程经验，拟采用单排抗滑桩加固。由于边坡土体地下水含量丰富，水位埋深较浅，故而治理时要适时降低地下水位，以提高土体强度。抗滑桩模拟采用FLAC3D自带的pile结构单元，容重为25.0kN/m3，弹性模量为60GPa，泊松比为0.20，桩径D为0.8m。该抗滑桩与传统抗滑桩的不同之处在于抗滑桩桩身设有多处渗水孔洞，通过渗水孔将地下水引入到桩体内部的导水管中，所有抗滑桩集齐的地下水经集水槽统一流入在布桩位置处提前设置的排水管道中，以此来达到排水的目的。为了研究抗滑桩的最优布设位置，以滑移带端部O1点为起始点，滑移带总水平投影长度L=120m，步长为10m，研究抗滑桩不同水平位置的加固方案，并对局部位置进行加密插值细化分析。为了减少桩长对研究结果的影响，桩长取足够长，取各布桩位置处坡表到基底长，待选定合理位置后再进行桩长的敏感性分析，选定合理桩长。变化抗滑桩X1向布设位置Lx1，得到边坡稳定系数随桩位Lx1的变化规律图，加固后边坡稳定性较自然状态下有较大提升，主要因为抗滑桩内的排水设施降低了孔隙水压力，提高了土体的强度参数。不同桩间距s下的边坡稳定性随抗滑桩布设位置Lx1的变化规律是一致的，随着抗滑桩布设位置Lx1的增大，稳定安全系数均先逐渐增大，当布设位置Lx1达到最优位置时，即Lx1=67m，安全系数达到最大值，而后安全系数逐渐减小，故而可知，桩间距对抗滑桩X1向布设位置影响较小，且抗滑桩设于边坡潜在滑移带中部偏下位置时，边坡稳定性达到最优，这与Wei等的研究结果是一致的。结合抗滑桩内的最大弯矩Mymax、最大剪力Qmax随桩位Lx1的变化规律图可知，弯矩Mymax初始为负弯矩，随着抗滑桩布设位置Lx1的增大，弯矩Mymax先逐渐增大，而后逐渐减小，直至变为正弯矩，之后再逐渐增大，当布设位置Lx1达到最优位置附近时，弯矩Mymax最大，表明布设位置Lx1在最优位置附近时，抗滑桩加固效果最好，发挥了最大的作用，剪力Qmax随桩位Lx1的变化规律与弯矩Mymax的类似，都是在最优位置附近处发挥最佳效果。当抗滑桩位于最优位置时，最大水平位移位于边坡南侧，其大小为9.24cm，与未加固前的8.73m相比，加固效果明显；相比于自然边坡，潜在滑移带X向范围减小，滑动面深度显著减小，尤其是边坡坡中附近滑移深度变浅较为明显，抗滑桩的抗滑效果明显，有效地提升了边坡整体稳定性。

2.2桩间距优化分析

在抗滑桩设计中，桩间距s是一个重要的指标，桩间距s过大会造成抗滑效果不明显，过小又容易造成浪费，故而选择合理的桩间距s至关重要。当抗滑桩布设位置Lx1达到最优位置时，即Lx1=67m，桩长取足够长，保持其他参数不变，选取3种桩间距s，即s=2D、3D和6D，探讨桩间距s对边坡稳定性影响的规律，确定最优桩间距。由图4.13结点位移法可得边坡在s=2D、3D和6D时安全系数分别为2.35、2.33和2.35，计算结果的变化较小，主要是因为没有考虑地下水的排水过程，而直接采用排水参数所引起的。随着桩间距离的增加，桩间土可能发生绕桩的滑移，结点位移发生突变时对应的折减系数逐渐减小，即边坡的安全系数随桩间距逐渐减小，但当桩间距为6D时，其对应的折减系数却与桩间距为3D时相近。分析可能的原因一是在考虑边坡排水情况后，边坡本身安全系数就已经足够大，此时抗滑桩桩间距对边坡稳定性的影响不大；二是在边坡有限元模型网格划分时缺乏相应的经验，网格划分稍大。结合不同桩间距s下桩水平位移、弯矩、剪力和土压力分布规律图可知，桩的水平位移均随着深度增大而逐渐减小，随着桩间距s的逐渐减小，桩身水平位移均逐渐减小，桩顶水平位移最大减小量为4.8cm，这主要由于桩间距的减小导致土体拱效应越来越明显引起的。桩身弯矩受桩间距影响较小，随着桩埋深的增加，桩身弯矩先增大后减小，随后在距桩顶15m深处达到负弯矩极值，而后逐渐减小，直至变为正弯矩后再次逐渐增大，并在26m埋深处达到最大正弯矩值。桩身剪力随桩间距的变化并不明显，沿桩顶向下，剪力值均先逐渐增大后逐渐减小，当桩埋深为28m时，剪力值最大，表明抗滑桩承担了较大的滑坡推力，起到了较好的抗滑效果。桩间距对桩后土压力影响较大，在15m埋深以内，桩间距为2D和3D时土压力均为压应力，随着深度增加逐渐增大，而桩间距为6D时却出现相反情况，这是由于随着桩间距增大，土体中的应力传递到抗滑桩上的部分大大减少，桩间土体的拱效应作用衰减，导致桩前土体所承担的应力急剧增大。

2.3桩长优化分析

选取3倍桩间距，布桩位置Lx1=67m处，仅改变抗滑桩的长度，对桩长L0进行优化分析。结合边坡安全系数Fs随桩长L0的变化规律图可知，随着桩长L0的逐渐增加，边坡安全系数逐渐增大，当桩长L0达到14m后，边坡安全系数较为稳定，数值变化较小，故而最优桩长为L0=14m。再根据不同桩长L0的抗滑桩水平位移、弯矩、剪力和土压力变化规律图可知，当桩长较短时，桩的水平位移较小，之后随着桩长的增加，桩的水平位移逐渐减小，并趋于稳定。随着桩长的增加，桩身弯矩逐渐增大，且最大弯矩值点不断远离桩顶；当桩长超过22m后，最大负弯矩值基本保持不变；在埋深24m处，桩身弯矩值发生突变，最大正弯矩显著增大。不同桩长下的桩身剪力的变化规律趋于一致，沿埋深均呈先逐渐增大，后减小的震荡曲线。土压力随桩长变化总体上是沿深度方向震荡增大，并且随着埋深越深，震荡幅度越大；在深度22m至30m之间土压力急剧增大之后又急剧减小，并且在25m附近处达到最大值，这是因为此处位于软弱土层与基岩交界面，而岩-土交界面又正好处于边坡潜在滑移面附近，滑移面由于抗滑桩的作用效果产生了抗滑力以及抗滑力矩，导致此处桩的弯矩、剪力和土压力均出现应力突变的情况。

参考文献

[1]包天鹏.大直径圆形抗滑桩在高速公路滑坡抢险治理中的应用[J].交通世界,2021(26):68-69.

[2]周健.浅谈圆形抗滑桩在滑坡治理工程中的应用[J].交通科技与管理,2023(10):37-40.