抗滑桩长度对软弱夹层边坡开挖稳定性影响的研究

武君梦

（河南省海河流域水利事务中心，河南 新乡 453000）

1 前言

软弱夹层是边坡中岩土体力学性质较差的部分，亦是影响边坡稳定性的关键因素，许多学者基于软弱夹层特性进行了相应的研究。李龙起等通过光栅监测、模型试验等方法，研究了降雨入渗对边坡稳定性的影响。研究结果表明：无支护的边坡位移有突发性，有支护的边坡位移有渐变的特征，且岩层倾角为35°时的层间相对变形最大。许四法等通过数值模拟的方法，研究了降雨入渗对边坡渗流的影响。研究结果表明：基质吸力受降雨强度的影响，且边坡变形随软弱夹层的埋深增加而逐渐增加。王杜等采用Flac3d 软件模拟了含软弱夹层的路堑边坡开挖过程。研究结果表明：边坡变形与开挖深度呈正比，且边坡的整体滑动受软弱层的控制，采用抗滑桩可有效支护边坡变形。以新乡某边坡为例，采用Flac3d有限差分软件，研究软弱夹层及抗滑桩长度对边坡开挖稳定性的影响。

2 含软弱夹层边坡概况

2.1 边坡工程概况

某边坡治理工程位于新乡市，模型整体长110 m，左侧边界高60 m，右侧边界高30 m。边坡上层主要分布有风化砂岩，下部主要为硬质砂岩，风化边界如图中虚线所示。其中砂岩多为长石石英砂岩，呈浅灰、紫红色，中～细粒结构，泥质胶结，且风化砂岩质地相对较软。同时，该边坡含有两层软弱夹层R1和R2，分布情况如图1所示。其中软弱夹层主要成分为浅黄色的粉质粘土，夹层厚度为4 m，倾角为19°，分别位于风化砂岩区域和硬质砂岩层中。岩层物理力学参数如表1所示。

表1 边坡岩体物理力学参数表

2.2 边坡开挖方式及支护结构设置

边坡拟分二步开挖，开挖形式如图1所示。根据边坡裂隙出现的位置及数值监测结果，结合钻孔岩芯判定结果，可初步判断边坡滑动变形将出现在R1 处软弱夹层带，风化边界亦有发生滑动的风险。为此，拟设置抗滑桩结合锚杆的支护形式进行边坡加固，抗滑桩拟设置在一级边坡坡脚处，锚杆设置在一级边坡。

图1 边坡示意图

其中采用直径1.40 m，长15 m（埋深8 m）的圆桩体抗滑桩，截面积为1.54 m2，扭转常量IX 为3.8×10-1m4，截面惯性矩（IY和IZ）为1.8×10-1m4，主要采用人工开挖，辅以风镐风钻，遇到硬质石方时采用浅孔爆破的方法掘进；锚杆纵向间距1.30 m，横向间距1.20 m，垂直于墙面施作，锚杆钻孔直径φ80 mm，施工倾角为5°，假设锚杆符合弹性假定，长度为9 m（自由段4 m，锚固段5 m），截面积为4.3×10-4m2，扭转常量IX为2.9×10-8m4，截面惯性矩（IY 和IZ）为1.5×10-8m4。材料计算参数按照实际工程进行取值，如表2、表3所示。

表2 抗滑桩单元力学参数表

表3 锚索单元力学参数表

3 数值模拟

3.1 模型建立

采用Rhino6.5 软件进行三维边坡建模，模型左、右侧边界采用法向约束，模型底面采用轴向约束，模型顶面不采用约束条件。为提高模型计算精确度，同时减少模型计算时间，对软弱夹层带及边坡潜在滑动面附近进行网格细化，模型边界网格相对放大。模型共计21 345 个网格单元，18 945 个计算节点。进行边坡支护时，采用cable单元模拟锚杆，采用pile单元模拟抗滑桩，边坡岩土体采用摩尔库伦模型进行模拟。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 水平位移分析

二级边坡开挖后，坡面出现最大水平位移，数值约为9.90 mm，二级边坡整体平均水平位移约为4.50 mm，边坡整体稳定。一级边坡开挖后，坡面最大水平位移约为18 mm，小于边坡允许值，说明采用抗滑桩+锚杆的支护效果较好。

边坡软弱滑动面影响了边坡潜在滑动面的形成，当软弱夹层靠近边坡坡面时，滑动面一般沿软弱夹层发生滑动，当边坡开挖较深时，滑动面以岩层的风化界面为主。因此实际工程中，应根据软弱夹层以及岩层风化界面的相对位置，采取不同的支护措施。同时，加强一级边坡坡脚以及二级边坡坡脚处的位移监测。

3.2.2 抗滑桩桩长对边坡稳定性影响分析

3.2.2.1 最大水平位移分析

为研究抗滑桩桩长边坡稳定性的影响规律，此研究设计了不同桩长的数值模拟方案。图2 为边坡最大水平位移随抗滑桩长度变化规律图，如图所示，边坡最大水平位移随抗滑桩桩长增加而逐渐减小，当抗滑桩桩长为15 m时，最大水平位移为18 mm，当抗滑桩取16 m、17 m、18 m和19 m时，最大水平位移分别减小了22.20%、44.40%、50%和52.80%。可以看出，当桩长增加至17 m以上后，支护效果不再增长显著。

图2 边坡最大水平位移随桩长变化规律图

3.2.2.2 边坡治理效果分析

边坡稳定安全系数以及最大有效塑性应变是衡量边坡治理效果的重要指标。不同桩长的边坡各项指标如表4所示。

表4 不同桩长下边坡的各项指标表

由表4 可知，当抗滑桩取15 m 长度时，边坡安全系数为1.03，最大有效塑形应变为1.64，边坡稳定性欠佳，实际工程中需采取强度更高的支护措施，以进一步提高边坡稳定性。而当抗滑桩增加至17 m时，边坡安全系数为1.31，提高了约28%，最大有效塑形应变降低了约61%，此时的边坡治理效果较其他抗滑桩长度工况而言，提高最为显著。

综合分析以上三个指标可知，抗滑桩取17 m时，支护效果提高最显著，性价比最高。因此在实际工程中应适当加长抗滑桩的长度至17 m，以控制边坡的最大水平位移。

3.2.3 监测孔数值模拟结果与实际监测结果对比分析

为监测开挖过程中含软弱夹层边坡的位移情况，采用阵列式MEMS位移传感器监测法，在坡体上进行监测孔钻进及传感器布置，如图1所示。

图3为边坡分二步开挖后，边坡监测孔水平位移的数值分析结果。可以看出，在二级边坡开挖后，监测孔最大水平位移为9.90 mm，位于监测孔深度7 m 处，正处于边坡的软弱夹层带，同时监测孔7 m往下深度发生突变，急剧减小为0 mm，说明二级边坡开挖后，边坡主要沿软弱夹层带发生滑动。一级边坡开挖后，边坡整体水平位移增加，最大水平位移约为17.90 mm，位于监测孔深度16 m处，位于岩层的风化界面处，同时16 m深度往下的边坡水平位移发生突变，数值急剧减小为0，说明一级边坡开挖后，不再沿软弱夹层带发生滑动，而是整体沿风化界面发生滑动。

图4 为监测孔的水平位移监测结果，可以看出，监测孔水平位移随监测时间的增加而逐渐增大，且监测孔水平位移沿竖直方向的变化规律呈现为先逐渐增加至潜在滑动面，后急剧减小的趋势。

综合分析图3和图4不难看出，计算结果与监测结果之间存在约8%的数值误差，各级边坡开挖后深层水平位移的计算结果与现场监测数据吻合度较高，变形趋势有局部差异，这可能是模型概化时原有存在的次要软弱夹层与岩体进行了归并所致。结合监测孔变形来看，监测孔的水平位移计算结果与实际监测结果在数值以及变化规律上基本保持一致，数值模拟结论正确。

图3 监测孔水平位移计算结果图

图4 监测孔水平位移监测结果图

4 结论

以某边坡为例，采用Flac3d 有限差分软件，研究了软弱夹层及其厚度对边坡开挖稳定性的影响。研究结果表明：①边坡开挖后的一级边坡坡面最大水平位移约为18 mm，小于边坡允许最大水平位移20 mm，采用的抗滑桩+锚杆的支护效果较好。②边坡最大水平位移随抗滑桩桩长增加而逐渐减小，当桩长增加至17 m以上后，支护效果不再增长显著，因此在实际工程中应适当加长抗滑桩的长度至17 m，以控制边坡的最大水平位移。③监测孔水平位移随监测时间的增加而逐渐增大，且监测孔水平位移沿竖直方向的变化规律呈现为先逐渐增加至潜在滑动面，后急剧减小的趋势。计算结果与监测结果间存在约8%的数值误差，监测孔水平位移计算与实际监测结果在数值以及变化规律上基本保持一致。