边坡支挡与防护

抗滑桩在边坡支挡和加固中的应用及基于

强度折减法有限元模拟

20世纪80年代中期以前，我国公路建设主要以低等级为主，深挖高填施工较少，公路建设投资不大，因而公路边坡稳定问题较少，边坡支挡工程不作为道路建设的主体工程，在公路工程建设中对边坡的防护常常被忽视。进入90年代以后，我国大量修筑高等级公路，遇到大量的高填深挖路基，边坡稳定问题日渐突出。90年代初期，边坡防护与加固仍主要沿用低等级公路的边坡工程技术会借鉴铁道部门的经验来实施局部处理，由于在边坡处治时缺乏综合考虑，为工程埋下隐患。90年代后期，我国公路建设进入了前所未有的高速发展阶段，吸取前期公路建设的经验教训，高等级公路边坡的综合治理受到重视。各地结合当地工程实践开展了一系列公路路基边坡防护和加固技术研究，公路边坡工程理论与实践取得了很大的进展。

1．边坡稳定性研究的发展方向

边坡稳定性研究由来已久，早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的，该方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究，但由于其力学机理的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实际情况差别较大。1959年法国Malpasset坝左岸坝肩岩体的崩溃及1963年意大利Vajont坝上游左岸的库岸边坡滑坡等，使人们清醒地认识到了边坡破坏的力学机理研究的不足，从而促进了边坡稳定性研究向前迈进了一大步。以弹塑性理论为基础和改进的极限平衡法应用为主的多种方法应运而生，特别是1967年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题，给定量评价边坡的稳定性创造了条件，并使其过渡到数值方法，从而使边坡稳定性研究进入模式机制和作用过程研究成为可能。

然而建立在极限平衡理论基础之上的各种稳定性方法没有考虑土体内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，没有考虑土体与支挡结构

的共同作用及其变形协调，在求解安全系数时通常需要假定滑移面为折线、圆弧、对数螺旋线等。而有限单元法克服了传统分析法的不足，不仅满足力的平衡条件，而且考虑了土体应力、变形关系和支挡结构的作用，能够得到边坡在荷载作用下的应力、变形分布，模拟出边坡的实际滑动面。另外强度折减法的提出使得人们可以通过有限元分析直接获得一个安全系数，不仅保持了有限元在模拟复杂问题上的优点，而且概念明确，结果直观，在工程中得到了越来越多的应用。

2.抗滑桩在边坡加固和支挡中的应用

抗滑桩是埋设于滑面上、下岩体中阻止滑体移动的桩形结构物。抗滑桩埋入滑面以下的部分称为锚固段，埋置于滑面以上的部分称为受力段。抗滑桩的受力段承受滑坡推力作用，传递到锚固段，在滑床的桩周地层反力嵌住桩身。如过桩的强度能够承受这些推力和反力，也就可以阻止桩背滑体的滑动。抗滑桩按制作材料分，有混凝土桩、钢筋混凝土桩和钢桩；按断面形式分，有圆桩、管桩、方桩和“H”形桩；按布置方式分，有密排式、间隔式、单排式和多排式；按施工方法分，有打入式、钻孔式、挖孔式等。

2.1 作用原理

作用于桩体上的滑坡推力，一部分由桩体传至桩前滑体，由桩前滑动面向上的抗滑力平衡；另一部分由桩体传至滑动面以下岩体中，因而桩前滑坡推力减小，滑体稳定性提高。即利用埋于滑床中的桩将滑体中未平衡的滑坡推力借桩传递而下作用于桩周的岩土上。抗滑桩能迅速、安全、经济地解决一些比较困难的工程，因此发展较快。

2.2 优缺点

抗滑桩的优点主要表现在以下几个方面：

1.抗滑能力大，污工数量小，在滑坡推力大。

2.桩位灵活，可以在滑坡中最有利于抗滑的部位，单独使用。分排设置时，可将巨大的滑体切割成若干分散的单元体，对滑坡起到分而治之的功效。

3.抗滑桩可以根据弯距沿桩长变化合理布设钢筋，因此较打入的管桩经济。

4.施工方便，设备简单，具有工程速度快，施工质量好，比较安全等优点。施工时可以间隔开挖，不至于引起滑坡条件的恶化，因此对整治通车路线上的滑坡和处在缓慢滑动阶段特别有效。

5.开挖桩孔能校对地质情况，检验和修改原有的设计，使其符合实际。

缺点则表现为，抗滑桩是大悬臂受力，主要靠滑动面以下的的桩身所受的地基反力来平衡滑坡推力，受力机制不合理，需要的桩长截面大，材料消耗多，工程造价高。

2.3 抗滑桩的适用性

抗滑桩适用于裂隙不太发育、完整性较好的缓倾斜中厚岩体、滑动面较单一倾角较小的滑坡，同时要求有一个明显的滑动面，滑面以下为完整的基岩（或密实的基础）能提供足够的抗力，不适用于软塑体滑坡。抗滑桩已是一种很成熟的滑坡加固方法。它成排布置，借助桩的受力段及桩背土体与桩两侧的摩阻力而形成的土拱效应以稳定滑体，不使其从桩间滑出，它的作用机理是利用埋于滑床中的桩将滑体中未平衡的滑坡推力借桩传递而下作用于桩周的岩土上。如果在桩的上部加上锚索，将一部分下滑力转移到锚索上，由锚索承担，这样就可以减少埋于滑床中桩的传递作用于桩周岩体的滑坡推力，桩埋入滑床中的深度相对减小，并使原来的悬臂抗滑桩，变成了一端近似铰接另一端近似弹性固端的一种梁式结构。预应力锚索抗滑桩结构主要由抗滑桩、预应力锚索、锚具等组成。位于滑面以下稳定基岩内的锚索称锚固段，其余为张拉段。对锚索施加预应力后，通过锚具将其与抗滑桩相连接，它的另一端穿过滑坡体后锚固于滑床内，从而使抗滑桩和预应力锚索组成一个联合受力的体系。用锚索拉力和桩体共同平衡滑坡推力，彻底改变了一般抗滑桩大悬臂受力的受力机理，改变了抗滑桩单一靠嵌固段地基抗力，平衡滑坡推力。这样的作用结果使得内弯矩大大尖小，桩径变细，桩的埋置深度变浅，达到了结构受力合理、节省投资、节约材料、缩短工期的目的。

从桩的受力机制看，普通悬臂抗滑桩是“被动”的受力状态，施工后在滑坡推力的继续作用下发生位移，桩才能逐渐具备抗滑能力，这对保护滑体上的已有建筑物非常不利，而预应力锚索抗滑桩是“主动”型。施加预应力后，滑体受到

反推力，这样就可以立即起到止滑的作用。滑体上已有建筑物不在继续变形，个别情况下原有变形裂缝还会逐渐弥合。

2.4抗滑桩的桩体构造

1、抗滑桩截面形状宜采用矩形，桩的截面尺寸应根据滑坡推力大小、桩间距、锚固段地基横向容许强度等因素确定，桩最小边宽度不应小于 1.25ｍ。在主滑方向不确定的情况下，可采用圆形截面。

2、桩身混凝土的强度等级不应低于C20。当地下水有侵蚀性时，水泥应按有关规定选用。

3、抗滑桩井口应设置锁口，桩井位于土和风化破碎的岩层时宜设置护壁，锁口和护壁混凝土强度等级不应低于C15。

4、抗滑桩纵向受力钢筋直径不应小于16mm。净距不宜小于120mm，困难情况下可适当减少，但不得小于80mm。当用束筋时，每束不宜多于3根。当配置单排钢筋有困难时，可设置2排或3排。受力钢筋混凝土保护层厚度不应小于60mm。

5、纵向受力钢筋的截断点应按国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010）计算。

6、抗滑桩内不宜设置斜筋，可采用调整箍筋的直径、间距和桩身截面尺寸等措施，满足斜截面的抗剪强度。

7、箍筋宜采用封闭式，直径不宜小于14mm，间距不应大于500mm。

8、抗滑桩的两侧和受压边，应适当配置纵向构造钢筋，其间距宜为400mm~500mm，直径不宜小于12mm。桩的受压边两侧，应配置架立钢筋，其直径不宜小于16mm。当桩身较长时，纵向构造钢筋和架立筋的直径应加粗。

3. 基于强度折减法抗滑桩有限元分析

3.1边坡稳定性有限元分析的强度折减法

强度折减法最早由ZienKiewicz等提出，后被许多学者广泛采用。强度折减法提出了一个强度折减系数，其定义为：在外载荷保持不变的情况下，边坡内土