论杂填土边坡稳定性分析及抗滑桩优化设计

论杂填土边坡稳定性分析及抗滑桩优化设计

彭少明

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 610031

摘要：本文将以某建筑场地的实际边坡地质条件为研究对象，建立边坡稳定性的FLAC3D数值模拟模型，分别对不同情况下的边坡支护稳定性进行了深入研究并得出了更加优化的抗滑桩设计方案，使得杂填土边坡稳定性得到进一步提升。

关键词：杂填土边坡稳定性；抗滑桩优化设计；数值分析

土钉墙支护、挡土墙支护、喷锚支护和抗滑桩支护是最常见的杂填土边坡支护方式，其中抗滑桩是一种深入滑坡体并且直至滑床的桩柱，用桩柱本身的支撑力来阻挡边坡的滑动力，因此可以起到有效的稳定作用，并且具有施工成本低、施工效率高、稳定性强等优势，现如今已经广泛应用在边坡施工中。为了进一步提高杂填土边坡的稳定性，本文将对某建筑场地的实际杂填土边坡的具体设计数值进行模拟，并结合模拟验算结果推演出抗滑桩的最佳施工参数。

1、杂填土边坡数值模拟方案设计

1.1杂填土边坡数值模型建立

该建筑场地的边坡施工高度为37.5m，平均边坡比值为1:1.6，其中粉质粘土、素填土、不同程度的风化砂岩是边坡土体的主要组成元素，并且受地质构造影响，各种土体呈现出不规则的层状分布,详细情况如下图1所示。同时由于边坡具有较大高度，如果不采取有效的支护措施，将存在着很大的滑坡危险。技术人员结合工程的实际情况最终决定：采用直径为2.5m的混凝土抗滑桩对边坡进行加固。

图1 杂填土边坡稳定性分析模型

1.2抗滑桩优化方案设计

能够影响抗滑桩最终加固效果的因素众多，例如桩长、桩间距、桩径等，不同规格的抗滑桩不仅造价不同，而且也会对最终的加固效果带来严重影响。所以为了进一步提高抗滑桩的加固质量，技术人员就必须对抗滑桩的施工参数进行优化设计。下面我们将针对抗滑桩的长度、间距、加固位置分别设计出以下几种方案。

方案1：不使用抗滑桩；

方案2：抗滑桩长度固定均为20m并且相邻桩体间距为6米，主要目的为分析在不同位置设置抗滑桩的具体加固效果，抗滑桩距坡底距离分别为0m、20m、34m和46m；

方案3：抗滑桩的所有加固位置一定，距坡底均为34m，每两根抗滑桩之间间隔6m，主要目的为分析不同长度抗滑桩的加固效果，桩体长度分别为10m、15m、20m和25m；

方案4：抗滑桩的长度和加固位置均固定，所有抗滑桩的长度为25m，与坡底的距离为34m，主要目的为分析在不同间距下抗滑桩的加固效果，间距分别为4m、6m、8m和10m。

2、数值计算结果分析

2.1无支护条件下杂填土边坡的稳定性分析

在不使用抗滑桩支护稳定技术和其他任何支护技术的前提下，只是对杂填土边坡进行简单修整，技术人员发现，边坡土体分别呈现出了不同的水平位移和竖向位移，详细情况如图2所示。由图可知位移多发生在素填土土层靠近坡面的位置，其他土层的位移相对较小，在坡顶出现了边坡土体的最大水平位移，位移量约为13.5mm；在边坡中上部靠近坡顶的位置出现了最大竖向位移，位移量约为4.9mm。^[1]从边坡整体的位移情况来看，最大位移量均不超过30mm，这一数值也说明即使在不采用任何支护措施的情况下，该边坡土体也能保持一定的稳定性。

图2无抗滑桩支护条件下杂填土边坡的位移分布图

图3为在未采用任何加固措施情况下，杂填土边坡在失稳状态下的剪应变增量云图和位移矢量图，技术人员采用强度折减计算方法计算出该杂填土边坡在没有任何支护状态下的安全稳定系数为1.20。这一数值表明，虽然该杂填土边坡具有一定的自身稳定性，但是其安全数值并未大于规定的1.35，所以无法达到安全要求，那么一旦在暴雨或者地震条件下很容易失稳滑坡，所以必须采取一定的加固措施。

图3无抗滑桩支护条件下杂填土边坡的潜在滑动面示意图

2.2抗滑桩加固位置对杂填土边坡稳定性的影响分析

当采用方案2时，用抗滑桩对边坡进行整体加固，技术人员计算出杂填土边坡稳定性的详细数据，具体如下表1所示。当抗滑桩伸入到边坡底部时，并未对边坡的整体稳定性产生任何加固效果，因为边坡的整体稳定安全系数与未加固时保持一致，水平位移和竖向位移量也没有发生明显变化。这也就说明将抗滑桩置于边坡底部加固效果并不明显，反而会相对增加施工企业的施工成本。将抗滑桩置于边坡的中上部和中下部，也就是距坡底水平距离为20和46米，技术人员通过模拟计算发现边坡的整体稳定安全系数由原来的1.2上升至1.27与1.26，并且边坡土体的水平位移量和竖向位移量明显降低，这一数据表明在此两处位置设置抗滑桩可有效提高杂填土边坡的整体稳定性。将抗滑桩设置于边坡中部，也就是距坡底水平距离为34米时，边坡的整体稳定安全系数上升至1.37，超过了安全储备要求。^[2]那么即使在地震和洪水中，也能最大程度的保证边坡不会发生垮塌和滑坡。由此可以看出，将抗滑桩设置在边坡中部，可起到明显的加固效果。

表1抗滑桩不同加固位置下边坡的稳定性指标表

2.3抗滑桩长度对杂填土边坡稳定性的影响分析

当采用方案3进行杂填土边坡抗滑桩加固时，不同长度的抗滑桩与杂填土边坡稳定安全系数之间的对应关系为：当抗滑桩长度为10m、15m、20m、25m时，边坡的安全稳定系数值分别为1.26、1.27、1.37和1.38，如图4所示。

图4 不同抗滑桩长度下杂填土边坡的整体稳定安全系数曲线

由图可知，随着抗滑桩长度的增加，杂填土边坡安全稳定系数也在不断增大。其中桩体长度由10m增加到15m时，稳定性并未得到有效提升，这主要是因为这两种长度的抗滑桩仍旧全部位于素填土层内，增加的5m并不能对边坡土体的滑动带来有效影响。但是当桩体长度增加至20m时，抗滑桩开始深入粉质粘土层中，因此便可起到很好的加固效果，但是如果此时继续延长抗滑桩，因为抗滑桩的底部已经进行了基本固定，所以抗滑能力也不会呈现出很大的提高，反而会单纯的造成材料浪费。由上述数据不难发现，在本次工程中，以20m长度的抗滑桩设计最为合理。

2.4抗滑桩间距对杂填土边坡稳定性的影响分析

当采用方案3进行杂填土边坡加固时，不同桩间距与边坡安全稳定系数之间的对应关系为：当桩间距为4m、6m、8m和10m时，边坡的安全稳定系数值分别为1.39、1.37、1.35和1.33。具体情况如图5所示。

图5 不同抗滑桩间距下杂填土边坡的整体稳定安全系数曲线

由图可知，随着桩间距的不断增大，杂填土边坡稳定安全系数直线性减小，桩间距每增大1m，安全系数就下降0.01。导致这一现象的主要原因是：越小的桩间距对应着越大的单位面积边坡上的桩体材料分布率、以及越明显的桩间土拱效应，所以抗滑性能更加稳固。^[3]技术人员根据计算结果最终得出，在本次工程中抗滑桩的桩间距必须控制在8m之内，才能保证杂填土边坡的整体稳定安全系数超过1.35。

3、结论

本文主要结合具体施工场地的边坡实际情况，对三种不同的抗滑桩支护方案进行了数值计算，并与无支护条件下的边坡稳定性进行对比，研究了不同抗滑桩的长度、位置、间距对杂填土边坡稳定安全系数的影响规律，研究结论如下：

（1）在没有任何外力支护的条件下，边坡的最大水平位移量为13.5mm，最大竖向位移量为4.9mm，所有位移均发生在素填土层中。被研究边坡的安全稳定系数为1.20，并未达到安全储备系数1.35的要求。

（2）将抗滑桩设置于边坡底部时，并不会产生明显的加固效果，边坡稳定安全系数无明显变化；将抗滑桩设置于边坡的中上部和中下部时，虽然安全系数有所提高，但是仍旧不能满足安全储备要求，只有将抗滑桩设置于边坡中部才能保证边坡的整体稳定安全系数超过1.35。

（3）不同长度的抗滑桩对应着不同的边坡安全稳定系数，二者之间呈现正比关系，在本次工程中抗滑桩的最佳长度为20m，超过则会存在材料浪费，小于则不会起到明显的加固效果。

（4）抗滑桩间距与边坡的安全稳定系数呈反比关系，也就是间距越大安全系数越小，挡抗滑桩的长度为20m、加固位置为距坡底水平距离34m时，为了保证杂填土边坡的整体稳定安全系数超过1.35，那么就必须保证相邻抗滑桩之间的间距小于8m，如此才能在地震和洪水环境中保持稳定。

参考文献：

[1]杜时贵. 大型露天矿山边坡稳定性等精度评价方法[J]. 岩石力学与工程学报,2018,37(06):1301-1331.

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[3]石振明,沈丹祎,彭铭,张璐璐,张发旺,郑小站. 考虑多层非饱和土降雨入渗的边坡稳定性分析[J]. 水利学报,2016,47(08):977-985.