元 瑛

(长治市通明公路勘察设计有限公司 长治市 046011)

0 引言

高速公路在运营使用一段时间后，由于受到降雨、气候等因素的影响，边坡防护结构会产生不同程度的损坏，甚至出现滑塌等安全事故[1]。调查发现阳左高速公路某路段高边坡防护结构出现了严重破损，边坡土体也出现了开裂和沉降，直接影响边坡稳定性。为了合理确定边坡防护参数，采用ABAQUS软件建立计算模型，通过计算分析合理确定桩长、桩间距、截面尺寸，作为优化预应力锚索抗滑桩设计方案的主要依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

阳左高速公路采用双向四车道建设，路线设计全长91.25km，路基设计宽度24.5m，设计车速80km/h。高速公路沿线分布有多处高边坡，主要以岩土混合边坡和土质边坡为主。其中K53+400左100m至K53+480左60m段、K58+270～K58+360段两段高边坡为岩土混合边坡，边坡土质构成主要为石灰岩、粉质粘土。高边坡内部裂隙发育，稳定性差，局部存在软弱结构面，存在发生滑坡等地质灾害的风险。通过分析对比，产生滑坡风险较大，会严重影响道路施工和运营安全。建设阶段防护方式采用浆砌片石护面墙、挡土墙进行防护，运营使用一段时间后边坡出现破损，亟需进行维修加固。

1.2 边坡病害调查

自2014年通车以来，该区域边坡防护出现了严重变形和破损，主要调查结果如下：该区域边坡有四级边坡，边坡平台宽度为2m，一级边坡坡率为1∶1.75，二、三、四级边坡坡率为1∶1.5。调查发现一级边坡挡土墙墙顶已出现破损，上部坡面渗水严重，二、三、四级边坡防护破损严重，且在坡体后缘25m范围内发现两条长大贯通裂缝，裂缝宽度为10～30cm，并出现了不同程度的下沉，下沉量达到20mm以上。另外，在坡口外50m处，在雨水冲刷作用下形成的冲沟雨水下渗严重，局部出现了开裂，但开裂情况不严重。为了提高边坡的稳定性，对边坡防护结构进行优化设计，拟采用预应力锚索抗滑桩进行加固防护。

2 边坡预应力锚索抗滑桩优化设计方案

结合该路段边坡病害调查结果，在二级平台采用预应力锚索抗滑桩进行防护，抗滑桩混凝土标号为C25混凝土。三级边坡采用预应力锚索框架梁防护，锚固段深入滑动区域。通过在工程地质调查和钻孔揭露，得出边坡土体自外向内依次为：湿陷性黄土、全风化砂岩、滑裂带、微风化砂岩。边坡土体破碎，稳定性差，存在滑塌风险。对边坡坡体表面做削坡处理，削坡后中间平台宽度为2.5m。锚索与抗滑桩设计参数如表1所示，抗滑桩布置剖面如图1所示。

图1 边坡防护结构布置剖面图

表1 锚索与抗滑桩设计参数

3 抗滑桩设计参数优化

3.1 三维模型建立

本项目三维模型建立采用ABAQUS软件，将DXF格式文件导入后进行分层处理建立边坡模型。边坡三维模型建立采用摩尔-库伦模型，网格划分采用C3D6线性六面体网格，并对二级平台和三级边坡进行了加密。采用递增式间距设置网格间距，对靠近边坡的网格进行了细化，远离坡面的网格更加稀疏。

在建立模型时加载初始地应力，对重力加速度g进行了初始计算，以实现采用强度折减法进行安全系数计算。为了防止模型计算过程中产生错误变形，对模式设置约束，分别为模型两侧的x方向、前后y方向、模型底部x，y，z三个方向的位移约束限制。

3.2 桩长优化分析

抗滑桩桩长与截面尺寸、持力层强度等因素有关，确定桩长时还需要考虑边坡和抗滑桩位移[2]。为了合理确定抗滑桩桩长，采用ABAQUS软件建立计算模型，分别选取桩长为7m、8m、9m，10m、11m进行计算，得出不同桩长边坡安全系数和抗滑桩位移如表2所示，不同桩长边坡和抗滑桩最大位移如图2所示。

表2 不同桩长边坡和抗滑桩最大位移

图2 不同桩长边坡和抗滑桩最大位移

分析表2数据，随着桩长的增加，边坡和抗滑桩最大位移不断下降，安全系数不断增大。分析图2曲线变化趋势，当桩长达到9m以后，边坡和抗滑桩最大水平与竖直位移不断缩小，曲线变化逐渐趋于平缓。桩长达到10m以后，最大位移变化幅度不断变小，说明继续增加桩长对控制边坡和抗滑桩位移作用已不明显。综合分析，确定抗滑桩桩长为10m。

3.3 桩间距优化分析

桩间距是抗滑桩性能正常发挥的重要影响因素，桩间距过小，抗滑桩支护性能不能充分发挥，产生不必要的浪费；桩间距过大，桩间土体会产生土拱效应，会导致边坡土体变形失稳[3]。在抗滑桩设计过程中，桩间距通常采用经验法和土拱效应法两种方法进行合计，经验法主要通过工程类比确定最佳桩间距，精确度较差，而土拱效应法是根据静力平衡计算确定最佳桩间距，精确度较高。

分别取桩间距为2m、3m、4m、5m、6m，采用ABAQUS软件建立模型进行计算，得出不同桩长边坡和抗滑桩最大位移、安全系数如表3和图3所示。

表3 不同桩长边坡和抗滑桩最大位移

图3 不同桩间距边坡和抗滑桩最大位移

分析表3数据和图3曲线变化趋势，随着桩间距的增加，边坡和抗滑桩水平最大位移不断增加，竖直最大位移也不但增加。桩间距达到6m，边坡水平最大位移和抗滑桩水平最大位移分别增加了10.19mm和7.24m，垂直最大位移分别增加了4.32mm和1.89mm。相比之下增加幅度明显，说明间距超过5m后抗滑桩支护效果会大幅下降。同样，随着桩间距的增加，安全系数不断减小，当桩间距超过4m后安全系数变化幅度较大。综合考虑各方面的因素，确定桩间距为4m。

3.4 桩截面尺寸优化分析

本项目抗滑桩采用矩形截面，设计中在充分考虑桩体强度的前提下，还要考虑桩体与土体之间的摩擦力。抗滑桩截面尺寸还与桩间土的土拱效应有关，主要依靠桩体与桩间土之间的摩擦力保证土拱稳定[4-5]。在对桩间距、桩长计算的基础上，分别选取5种截面尺寸，采用ABAQUS软件建立模型，对不同桩长边坡和抗滑桩最大位移、安全系数如表4和图4所示。

表4 不同截面尺寸边坡和抗滑桩最大位移

图4 不同截面尺寸边坡和抗滑桩最大位移

分析表4数据变化情况和图4曲线变化趋势，桩截面尺寸越小，边坡和抗滑桩水平位移越大，截面尺寸达到1.2m×1.8m以后，随着截面尺寸的增加，水平位移变化幅度明显缩小，竖直位移变化趋势与水平位移相同。另外，随着抗滑桩截面尺寸的增加，安全系数不断增加，且当截面尺寸达到1.5m×2.25m以后增长幅度较大。综合分析上述计算结果，结合经济性等各方面因素确定截面尺寸为1.2m×1.8m，且安全系数已经超过了1.46。

结合上述分析结果，对原预应力锚索抗滑桩设计方案进行优化，确定抗滑桩最佳桩长为10m，桩间距为4m，桩截面尺寸为1.2m×1.8m，桩体采用C25混凝土。

4 结论

结合阳左高速公路边坡预应力锚索抗滑桩施工案例，利用ABAQUS软件建立模型进行计算，对设计方案进行优化，合理确定桩长、桩间距、桩截面尺寸。分析得出以下结论：

(1)随着桩长的增加，边坡和抗滑桩水平和竖直最大位移不断下降，安全系数不断增大，桩长达到10m后位移变化幅度较小，可确定最佳桩长为10m。

(2)随着桩间距的增加，边坡和抗滑桩水平和竖直最大位移不断增加，安全系数不断下降，桩间距达到4m以上位移增加幅度增加，安全系数下降到1.46以下，因此确定最佳桩间距为4m。

(3)随着桩截面尺寸的增加，边坡和抗滑桩水平和竖直位移不断下降，截面尺寸达到1.2m×1.8m以后，位移变化幅度明显下降，因此确定最佳截面尺寸为1.2m×1.8m。