文章编号:0451-0712(2008)12-0004-04 中图分类号:U416.1 文献标识码:A 深切顺层岩质边坡的抗滑桩支护效果分析龚文惠1,刘志华2,潘　登1(11华中科技大学土木工程与力学学院　武汉市　430074;21葛洲坝集团第五工程有限公司　宜昌市　443002)摘　要:顺层滑坡问题在我国西部工程建设中较为突出和普遍。

利用有限元法,针对沪蓉西高速公路深切顺层岩质边坡问题,对抗滑桩支护前后边坡的应力场、位移场及稳定性进行模拟分析。

对结果的分析比较表明:抗滑桩支护结构可有效地抑制顺层边坡的变形和滑动,明显提高边坡的整体稳定系数,对维护顺层边坡的整体稳定性具有良好的效果。

关键词:抗滑桩;顺层边坡;稳定性;有限元法 20世纪30年代初,抗滑桩的使用始于美国,后在欧美地区和苏联、日本等国家的铁路路基及边坡工程中得到大量应用。

1954年,我国铁路部门采用钢筋混凝土抗滑桩治理宝成线史家坝4号隧道北口左侧顺层坍塌。

1967年,成昆铁路的修建对抗滑桩的应用与发展起了较大的影响,首次成功地实现了新型的挖孔抗滑桩支挡结构,为我国滑坡整治增添了一种切实可行的新手段[1,2]。

抗滑桩结构防治滑坡的基本原理,是在边坡中适当位置设置一系列钢筋混凝土桩,使桩尖穿过可能的滑面进入下部稳定滑床,凭借桩身的强度和滑面以下锚固部分桩周岩体的弹性抗力来平衡滑面以上的滑体下滑力的水平分量,从而使边坡保持稳定。

目前,抗滑桩的种类很多,诸如钢轨桩、组合钢轨桩、混凝土钢轨桩、钢筋混凝土桩、滑面钢筋混凝土锚固柱、门型钢架桩和预应力锚索桩等[2,3]。

近年来,在我国西部的公路、铁路和水利建设工程中,常常遇到深切顺层岩质边坡问题。

顺层岩质边坡的破坏往往具有突然性,且下滑迅速,特别是中厚型构造的顺层滑坡一般层间剪切力和下推力大,破坏后果严重,而采用锚杆支护一般很难达到理想效果[4]。

抗滑桩作为一种较有效的加固顺层边坡的结构形式,在西部建设工程中得到越来越多的应用。

由于顺层滑动面通常接近较理想的平面,采用抗滑桩支护时,抗滑桩在滑动面处主要承受剪力作用,不仅其结构设计计算简便,且具有桩位选择灵活、施工方便、安全可靠等优点。

但由于抗滑桩支护工程的成本较高,因此其加固技术和效果备受工程界关注[5]。

本文利用有限元法[6～8],针对沪蓉西高速公路突出而普遍的深切顺层岩质边坡问题,对抗滑桩支护前后边坡的应力、应变、位移及稳定性进行模拟分析和比较,从而对抗滑桩支护的效果进行综合评价。

1　工程概况沪蓉国道主干线湖北宜昌～恩施段公路地处复杂的丘陵低山区,沿线山体自然坡度较陡,有近150km的边坡为顺层边坡,其中大部分为深切顺层路堑边坡。

如果设计和施工过程中的加固和支护处理措施不力,就可能造成这些边坡的顺层滑动,其破坏范围广、危害影响大,不仅直接影响工程建设的工期和成本,而且对公路的安全和质量造成严重的威胁和长期的隐患。

因此,深切顺层路堑边坡的稳定性分析及治理,是确保工程安全和降低建设费用的一个重要环节,也是工程成败的关键技术之一。

本文以K448+991处顺层岩质路堑高边坡为例,对抗滑桩的支护效果进行分析。

111　工程地质条件该顺层路堑边坡的开挖接近于山腰,山体自然坡角约为30°,岩层产状为340°∠40°。

路堑开挖高度为3618m,开挖面积为362198m2。

根据40m深钻孔资料表明,边坡岩体为弱-微风化灰白色白云质灰岩,微晶质结构,呈中厚层状构造,层厚约为018～2m,基金项目:湖北省自然科学基金资助项目,项目编号2005ABA303收稿日期:2008-04-14　公路　2008年12月　第12期 H IGHWA Y　D ec12008　N o112　层间结构面内被泥质方解石脉充填。

分析时,为安全起见,开挖后的边坡表层5m 厚度内视为破碎岩层,深部按未风化岩层考虑。

不同风化程度的灰岩及其结构面的物理力学参数见表1。

表1　顺层边坡岩石及结构面物理力学参数岩层岩性密度Θg ・c m -3泊松比Λ弹性模量E GPa内聚力c kPa内摩擦角Υ (°)破碎灰岩21301321850026弱-微风化灰岩215012515120032完整灰岩216501223514190041岩层结构面210--3017112　路堑边坡断面及抗滑桩设计该路堑边坡的设计横断面如图1所示。

单位:m图1　顺层路堑边坡的设计横断面拟设计的抗滑桩顶部位于路堑的第一级平台处,桩长为14m ,锚固段长为51879m ,自由段长为81121m 。

桩体水泥混凝土采用C 20,桩径为130c m ,桩孔径为150c m ,护壁厚10c m ,沿路线方向的桩距为5m 。

抗滑桩的布置方案如图2所示。

桩体的有关物理力学参数见表2。

单位:m图2　抗滑桩布置表2　有关抗滑桩的物理力学参数岩层岩性密度Θg ・c m -3泊松比Λ弹性模量E GPa内聚力c kPa内摩擦角Υ (°)桩体21501253510230060桩体与岩体间接触面---35142　抗滑桩支护的效果分析211　有限元模型依据路基横断面及地形图确定边坡的几何形状,建立边坡无支护和有抗滑桩支护时的有限元分析模型如图3所示。

图3　顺层边坡的有限元模型模型在四周边界均采用法向约束,只考虑自重应力,相邻结构面间岩层厚度取018m 。

考虑到破坏主要为被切割岩层并从坡脚开始,故网格局部加密。

图3(a )中,节点总数为12209个,单元总数4967个,岩层接触面数量为20个。

在图3(b )中,节点总数为12059个,单元总数为6753个,岩层接触面数量为26个,抗滑桩与岩体接触面为17个。

212　抗滑桩支护顺层边坡的效果分析分别对无支护和有抗滑桩支护的顺层边坡的应力、变形及稳定性等进行有限元模拟计算和分析,主要分析结果见图4～图6及表3。

从图4中可以看出:无支护时,边坡的位移主要出现在开挖所切割的岩层中,且越接近坡脚,位移值越大;有抗滑桩支护时,被切割岩层中的位移明显减小,而最大位移出现在抗滑桩顶部。

这表明抗滑桩对顺层边坡的位移有明显的抑制作用,确实达到了抗滑桩的“支挡”效果。

从图5和图6中可见:无支护时,坡脚附近被切割岩层中的结构面上的压应力和摩擦力都几乎为0,说明易由坡脚处临空面首先发生岩块崩落而导致顺层滑动破坏;有抗滑桩支护时,坡脚附近被切割岩层—5—　2008年　第12期 龚文惠等:深切顺层岩质边坡的抗滑桩支护效果分析中的结构面上的压应力和摩擦力仍很小,表明抗滑桩是无法阻止切割临空面上的岩块崩落的,对于坡脚附近区域,工程上还需采取必要的防护措施。

单位:mm图4　顺层边坡的水平位移单位:kN图5　顺层边坡最危险滑动面上的压力单位:kN图6　顺层边坡最危险滑动面上的摩擦力 通过计算,无支护时顺层边坡的稳定系数为0196,而有抗滑桩支护时提高为1135,可见支护明显提高了顺层边坡的稳定性。

表3中的数据显示:有抗滑桩支护时,最危险滑动面上的压力、摩擦力和总应力明显减小,表明危险滑动面向浅层移动。

这是因为:最危险滑动面上移后,其上覆盖的岩层总厚度变小、重力变小,因而沿最危险滑动面的法向分量即法向压力减小,沿结构—6— 公 路 2008年　第12期　表3　顺层边坡抗滑桩支护前后的稳定性分析结果比较支护状态最大水平位移mm 最大总位移mm 最危险滑动面位置压力 kN摩擦力 kN总应力 kPa安全系数F s无支护101237201195靠近坡脚处13619767018101371464019抗滑桩支护桩顶13177岩体810桩顶14119岩体12161靠近桩顶处3615602116884116271125面切向的摩擦力也随之减小。

位移分析也表明,支护后的最危险滑动面从原来的通过坡脚的结构面上移到通过桩顶处的结构面。

由于支护引起最危险滑动面的浅层化,故明显减小了边坡可能滑动的岩层规模,因而使边坡滑动时的危害性大大降低。

上述分析表明,经过抗滑桩支护后的顺层边坡,其稳定性可以满足工程设计的要求。

3　结语(1)与未支护时相比,由于抗滑桩支护后顺层边坡的位移减小、最危险滑动面变浅,因此发生顺层滑动的可能性、规模及危险性都相对减小。

只要抗滑桩体有足够的强度、抗弯刚度和自由端长度,就可以很好地抑制顺层边坡的变形和失稳。

(2)抗滑桩支护能明显提高顺层边坡的整体稳定系数,对维护顺层边坡整体稳定性有较好的效果。

但由于支护后边坡的表层或浅层岩体仍有可能出现局部滑动或崩落,故应在抗滑桩支护的同时,对坡面进行有效的防护处理。

参考文献:[1]　刘新荣,等1抗滑桩在边坡工程中的研究进展及应用[J ]1中国地质灾害与防治学报,2006,17(1)1[2]　王恭先1滑坡防治中的关键技术及其处理方法[J ]1岩石力学与工程学报,2005,24(21)1[3]　张友良,冯夏庭,范建海1抗滑桩与滑坡体相互作用的研究[J ]1岩石力学与工程学报,2002,21(6)1[4]　龚文惠,刘涛,黄燕宏1顺层路堑边坡锚杆支护稳定性的有限元模拟分析[J ]1岩土力学,2005,26(增2)1[5]　赵明阶,等1边坡工程处治技术[M ]1北京:人民交通出版社,20021[6]　Griffith s D V ,L ane P A 1Slope stability analysis byfinite elem ents [J ]1Geo technique ,1999,49(3)1[7]　龚文惠,王平1顺层岩体路堑边坡稳定性的弹塑性有限元模拟分析[J ]1岩土力学,2006,27(7)1[8]　龚文惠,王平,陈峰1顺层岩质路堑边坡稳定性的敏感性因素分析[J ]1岩土力学,2007,28(4)1Analysis of Effect of D eep -Cut Bedd i ng Rock SlopeSupported w ith An ti -Slide P ilesGON G W en -hu i 1,L IU Zh i -hua 2,PAN D eng1(11Institute of C ivil Engineering and M echanics ,H uazhong U niversity of Science and T echno logy ,W uhan 430074,Ch ina ;21T he F ifth Engineering Co 1,L td 1of Gezhouba Group ,Yichang 443002,Ch ina )Abstract :Con sequen t landslide is m uch p ro tru sive and general in the engineering con structi on in the w est of Ch ina 1A i m ing at the p rob lem of deep 2cu t bedding rock slop e in the w est of Shanghai 2Chengdu nati onal road ,the stress field ,disp lacem en t field and stab ility of the slope befo re and after suppo rted w ith an ti 2slide p iles are si m u lated and analyzed by m ean s of fin ite elem en t m ethod (FE M )1T he analysis and com p arison show that an ti 2slide p ile suppo rting structu re can con tro l effectively the disp lacem en t and slide of the bedding slope ,and increase app aren tly its en tire stab ility coefficien t ,then has favo rab le effect to m ain tain the en tire stab ility of the bedding slope 1Key words :an ti 2slide p ile ;bedding slope ;stab ility ;fin ite elem en t m ethod—7—　2008年　第12期 龚文惠等:深切顺层岩质边坡的抗滑桩支护效果分析。