劉孟瀚，范秋雁，唐峰

（1.廣西大學資源環(huán)境與材料學院，廣西 南寧 530004；2.中國能源建設集團廣西電力設計研究院，廣西 南寧 530023）

0 引言

抗滑樁是滑坡防治最主要的措施之一（殷躍平，1998），特別是滑坡體的剩余下滑力較大的情況，應當使用抗滑樁來提高穩(wěn)定性（張新敏，2004），前人分別利用有限元強度折減法驗證了抗滑樁對邊坡治理的作用，以及分析邊坡變形的位移變形及塑性發(fā)展趨勢，驗證了有限元在抗滑樁及邊坡穩(wěn)定性的研究中的重要意義（董軍和蘇生瑞，2008；謝榮昌等，2009）。隨著土地資源逐漸減少，在邊坡的坡腳以及坡頂這樣的不利于地基穩(wěn)定的位置都開始越來越多的出現(xiàn)建筑物，在對邊（滑）坡治理中必須考慮已建或規(guī)劃建設建筑物的穩(wěn)定和安全，因此多級抗滑樁的邊坡支護形式開始被廣泛應用。許多學者開展了多級抗滑樁支護作用研究。在基坑支護方面，任望東等（2013）通過建立基坑多級支護有限元模型，計算分析了多級支護的破壞模式及破壞機理，并研究了多級支護結構間的水平距離等因素對基坑穩(wěn)定性的影響。鄭剛等（2017）進行了基坑多級支護大型模型試驗，分析了兩級支護樁之間距離和二級支護樁樁長對支結構穩(wěn)定性的影響。在邊坡支護方面，黃小艷等（2012）運用FLAC3D 程序模擬分析了雙排樁樁后推力與樁前抗力分布形態(tài)，為邊坡加固提供了參考。趙鑫等（2014）也利用了FLAC3D 程序分析了不同滑坡體土拱效應下樁周及樁間土體位移與應力的變化規(guī)律。申永江等（2012）運用土拱理論和極限平衡理論，推導兩抗滑樁所承受滑坡推力的計算公式，提出滑坡推力的分配計算方法。唐芬等（2010）建立兩級抗滑樁有限元模型，分析不同級距下多級抗滑樁對推力的分擔，提出以多級抗滑樁的推力、穩(wěn)定系數(shù)和推力差為目標的優(yōu)化設計方法。肖世國和何洪（2015）基于彈性地基梁模型，通過迭代算法確定出二級抗滑樁受荷段前側坡體抗力，給出了相關的理論計算公式。此外，胡洪云（2019）利用數(shù)值模擬設計兩種抗滑樁布置情況，驗證了兩級抗滑樁對邊坡加固的效果。以上研究主要集中在抗滑樁的內(nèi)力、樁體位移、邊坡的整體穩(wěn)定性等方面，分析了邊坡的破壞機理，并提出了一系列實用的設計和計算方法。但當坡頂建筑物距離邊坡坡肩較近時，采用兩級抗滑樁的支護形式后，除了考慮邊坡的整體穩(wěn)定性，還必須良好控制坡頂土體位移量，從而保障坡頂建筑物的安全和穩(wěn)定。孫云普等（2010）通過簡化模型，給出了坡頂建筑的安全距離公式，可惜參數(shù)較多，很難具體應用實踐。專家驗證了坡肩的水平位移能反應邊坡坡頂土體的變形規(guī)律和突變特征（林杭等，2007；馬宗源等，2010）。為了進一步驗證兩級抗滑樁對坡頂土體位移的控制作用，本文通過建立兩級抗滑樁支護的有限元計算模型，分析了兩級樁不同排距和排布位置對坡肩水平位移的影響，從而進一步分析得出其控制效果，同時分別建立了坡頂存在建筑物淺基礎和深基礎的計算模型，探討了淺基礎離邊坡的安全距離及深基礎對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 模型建立及模型參數(shù)

工程中的高邊坡通常上層為土體，下層為巖層，抗滑樁各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響強弱各不相同，樁間距影響最大，其次是截面尺寸，最后是樁長（趙明華等，2010；朱泳等，2017；丁橋軍和董鐵斌，2020；何文野等，2020）。因此建立有限元計算模型如圖1所示，具體尺寸如表1。邊坡坡度為1.0 ∶1.5，一、二級抗滑樁分別嵌固在硬巖中，嵌固深度均是5.0 m。假定每根樁獨立承受樁間土體壓力，因此模型寬度為S。樁和巖土體的物理力學參數(shù)如表2 所示，土體服從摩爾庫倫準則且為非關聯(lián)流動法則的理想彈塑性本構模型?？梢曈矌r及抗滑樁為理想線彈性體，樁與土及巖體的摩擦系數(shù)分別取0.4（約為tan（0.75φ））和0.5。

圖1 兩級抗滑樁—邊坡模型示意圖

表1 高邊坡模型尺寸及邊界參數(shù)

表2 樁和巖土體的物理力學參數(shù)

2 兩級抗滑樁位置變化對坡肩水平位移的影響

2.1 一級抗滑樁的影響

為分析一級抗滑樁產(chǎn)生的坡肩水平位移影響，固定二級抗滑樁的位置，并保持二級抗滑樁設計參數(shù)不變。通過調(diào)整一級抗滑樁布設位置，改變一級和二級抗滑樁級距D。調(diào)整過程中一級抗滑樁的嵌巖深度保持不變，各計算工況模型參數(shù)如表3 所示，經(jīng)驗算各工況邊坡整體穩(wěn)定，下文僅對變形進行研究。計算結果如表4 所示。

（1）當邊坡支護選用兩級抗滑樁的形式，邊坡坡肩的水平位移最大，一級樁水平位移最小，二級樁樁頂?shù)乃轿灰平橛趦烧咧g。

（2）固定二級抗滑樁位置，當一、二級抗滑樁樁級距D增大時，坡肩水平位移增大，一、二級抗滑樁水平位移也同樣增大。

（3）隨著兩級抗滑樁級距D的增加，坡肩水平位移和二級樁水平位移增加較大，一級樁樁頂水平位移增加稍小一些，可以看出在兩級抗滑樁之間存在著一定的遮蔽作用。

（4）保持二級抗滑樁位置不變，調(diào)整一級抗滑樁的位置，坡肩位移從8.60 mm 增加到12.35 mm，位移增加量僅為3.75 mm，可以認為一級抗滑樁對坡頂土體位移有影響，但影響不顯著。

表3 模型幾何參數(shù)

表4 坡肩及樁頂水平位移

2.2 二級抗滑樁的影響

由前文分析可得，一級抗滑樁產(chǎn)生的對坡肩水平位移影響不明顯，因此在分析二級抗滑樁的影響時，應當使一、二級抗滑樁樁級距D保持不變（D=12.0 m）。各計算工況模型參數(shù)如表5 所示，經(jīng)驗算各工況邊坡整體穩(wěn)定，下文僅對變形進行研究。

表5 模型尺寸

計算結果如表6 所示，由表6 可知：

（1）當一、二級抗滑樁樁級距D保持不變，二級抗滑樁距離坡肩水平位置Lx2增大時，坡肩水平位移隨之而增大；一、二級抗滑樁樁頂水平位移同樣隨之增大；

（2）對比可得一、二級抗滑樁的布設位置更顯著地影響了坡肩水平位移，而坡頂土體位移主要受到二級抗滑樁控制；

（3）由于二級抗滑樁的遮蔽作用，一級抗滑樁的樁頂位移量較小，且對坡肩的水平位移影響不顯著，在有位移控制要求的邊坡支護工程中，一級抗滑樁的布設可更多地考慮對坡腳位移地控制。

表6 坡肩及樁頂水平位移

3 坡頂存在不同類型基礎的安全控制

3.1 坡頂淺基礎的安全距離

如邊坡坡頂存在淺基礎，坡頂土體發(fā)生位移后，會對淺基礎產(chǎn)生不利影響。為了得出在坡頂?shù)慕ㄖ锱c邊坡的安全距離，在模型中取L1=40.0 m（邊坡后緣長度），其他參數(shù)不變。另把坡頂淺基礎建筑物荷載轉化為三層磚混結構房屋所產(chǎn)生的荷載，確定其均布荷載=6×104Pa，選取3.0 m×3.0 m 范圍，相鄰基礎間距3.0 m，對兩跨均布荷載分析，如圖2 所示。

由表可知2，土體彈性模量值取100 MPa，壓縮模量與彈性模量不在一個數(shù)量級上，故該土體為中、低壓縮性土。依據(jù)規(guī)范（中華人民共和國建設部，2011），中、低壓縮性土砌體承重結構基礎的局部傾斜為0.002，局部傾斜即是相鄰基礎沉降差比上它的距離，計算公式如下：

式（1）中：S1-S2（相鄰基礎的沉降差）；l（相鄰基礎中心點距離）。

平移邊坡坡頂荷載，根據(jù)（1）式確定的局部傾斜值，經(jīng)過一系列的調(diào)整，確保建筑基礎局部傾斜接近0.002，則安全距離為坡肩至基礎邊緣距離，如表7 示。坡頂?shù)乇沓两登€如圖3、4 所示。

圖2 坡頂存在淺基礎模型示意圖

圖3 模型（1～5）坡頂?shù)乇沓两盗?/p>

由圖3、4 可得，地表沉降量在邊坡坡肩邊緣線上是最大的，最大能達到30.00 mm 左右。且離坡肩邊緣線越遠，沉降量越小。與周邊地區(qū)的地表沉降相比，淺基礎荷載作用區(qū)域更大，由于兩處淺基礎荷載與坡肩距離不同，存在明顯的沉降量差。由表7 可得，在6×104Pa（3.0 m×3.0 m）的均布荷載作用下，邊坡坡肩水平位移越大建筑物所需安全距離也越大，因此臨近邊坡的建筑物一定要確保在安全距離以外，必須嚴格控制邊坡坡肩水平位移。在設計兩級抗滑樁時，則應在保證邊坡整體穩(wěn)定性前提下，盡量將二級抗滑樁布設在距離坡肩位置距離較近處，有效降低坡頂土體的位移量，而一級抗滑樁的布置更多地考慮邊坡的局部穩(wěn)定性和坡腳位移控制。

圖4 模型（6～9）坡頂?shù)乇沓两盗?/p>

表7 建筑物安全距離

3.2 坡頂上的樁基對邊坡穩(wěn)定性的影響

深基礎雖然能更好地控制建筑基礎不均勻沉降，但當樁基位于邊坡坡頂附近時，建筑通過樁基將荷載傳遞到周圍土體，可能會對邊坡穩(wěn)定性造成不良影響?？紤]樁基距離邊坡的距離和所承受垂直荷載和水平荷載，建立如下有限元計算模型。

模型的尺寸與邊界條件如圖5 所示，具體尺寸如表8。

表8 坡頂樁基模型的尺寸與邊界參數(shù)

另取邊坡坡度為1.0 ∶1.5，一、二級樁徑1.0 m，同級樁樁間距S為3.0 m。建筑物樁徑1.0 m，樁長25.0 m。W是樁基坡肩距。所選材料同表1，建筑物樁基與抗滑樁物理力學參數(shù)取值一致，樁基與土的摩擦系數(shù)也取為0.4。采用折減系數(shù)法，以坡肩水平位移出現(xiàn)拐點對應的折減系數(shù)作為邊坡在不同工況下的穩(wěn)定系數(shù)。

分別改變計算模型中W、作用在樁基上的垂直荷載及水平荷載，研究這些因素對兩級抗滑樁邊坡穩(wěn)定性的影響。初始模型中W取為10.0 m，有800 kN 垂直荷載以及從右到左沿著邊坡滑動方向的100 kN 水平荷載作用在樁基上。圖6 中邊坡穩(wěn)定系數(shù)與W關系曲線為只改變樁基距離坡肩的距離W，保持垂直荷載和水平荷載不變。同理，圖7 為只改變樁基所承受的垂直荷載，圖8 為只改變樁基所承受的水平荷載。

圖5 坡頂存在深基礎的模型示意圖

由圖6～8 分析可知：

（1）荷載相同時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨W減小而減小。既樁基距離邊坡坡肩越近，對邊坡的穩(wěn)定性越不利。

（2）樁基位置和所受水平荷載不變時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.18～1.23 之間變化，變化范圍不超過5%，樁基所受垂直荷載對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

圖6 邊坡穩(wěn)定系數(shù)與W 的關系

圖7 垂直荷載與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關系

圖8 水平荷載與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關系

表9 某邊坡模型尺寸及邊界參數(shù)

（3）樁基位置和所受垂直荷載不變時，隨水平荷載增大邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小。既沿邊坡滑動方向的水平荷載會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

4 工程實例

廣西梧州市半山豪庭工程位于梧州市長洲區(qū)蜈蚣山腳下，其邊坡位于該市地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)，西側邊坡曾多處滑坡。最終該地塊形成的高切坡達12～30 m，且地質(zhì)條件較復雜。本文選取了4-4′主滑面剖面作為研究對象，工程地質(zhì)剖面圖如圖9 所示。

圖9 4-4′主滑面工程地質(zhì)剖面圖

由地質(zhì)剖面圖可知，H1滑坡治理后擬在坡頂修建建筑物，在對滑坡進行治理后，必須良好控制滑坡后方土體位移，保障建筑的安全和穩(wěn)定，因此本工程采用兩級抗滑樁的支護形式，根據(jù)上文分析結果，在保障邊坡穩(wěn)定的基礎上，盡可能將后排抗滑樁布置在距離H1滑坡坡肩較近處。最終根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件等進行設計，兩級抗滑樁的參數(shù)：坡肩與一、二級抗滑樁距離Lx1=18.0 m、Lx2=3.0 m，樁端嵌入花崗巖中，一、二級抗滑樁樁長Lp1=18.5 m、Lp2=26.5 m，樁徑=1.2 m，兩級抗滑樁樁間距都取3.0 m。

根據(jù)以上設計參數(shù)，建立該處邊坡的有限元計算模型。為簡化計算，劃分三層巖土層，底層是花崗巖，中層是砂質(zhì)粘土，上層是含礫粘土，如圖10 示，模型尺寸如表9。另取樁徑=1.2 m，樁間距S=3.0 m，邊坡坡度為1.0 ∶1.5?？够瑯逗突◢弾r選用理想彈性模型，土體采用摩爾庫倫模型，材料參數(shù)見表10。

工程施工結束后，對前、后排樁樁頂水平位移和坡肩水平位移進行了監(jiān)測，并與有限元模型計算結果進行比較，如表11 所示。

圖10 計算模型尺寸與邊界條件示意圖

表10 模型力學參數(shù)

表11 一級、二級和坡肩水平位移對比

有限元模型計算結果與實測結果吻合較好，坡肩水位位移最大，但通過合理布置兩級抗滑樁的位置，實測坡肩水平位移僅為12.5 mm，說明邊坡后方土體位移較小，良好地保證了后方地下室等構筑物的穩(wěn)定和安全正常使用。

5 結論

（1）采用兩級抗滑樁的支護形式，邊坡的坡肩水平位移最大，一級抗滑樁樁頂水平位移最小，二級抗滑樁樁頂水平位移介于兩者之間。

（2）一級抗滑樁對于坡頂土體位移存在影響，但不顯著，主要由二級抗滑樁控制坡頂土體位移，且二級抗滑樁距離坡肩越近，坡頂土體位移越小。

（3）邊坡坡肩水平位移越大，坡頂淺基礎的建筑物安全距離也越大。坡頂淺基礎越是臨近邊坡，對土體位移的控制要求越大。

（4）樁基距離邊坡坡肩越近，對邊坡的穩(wěn)定性越不利。相對于樁基所受垂直荷載，水平荷載對邊坡的穩(wěn)定性影響更顯著。

（5）根據(jù)兩級抗滑樁對坡頂土體的位移控制規(guī)律，對廣西某滑坡進行了優(yōu)化設計，最終實測結果表明雙排抗滑樁對樁頂土體位移控制效果良好。

致謝論文撰寫，充滿艱辛。首先，我最想感謝的是總能及時地在學業(yè)上為我提供無私幫助的導師范秋雁教授。其次感謝李天雨，梁家琿，唐峰，韓偉，李拓，陸明，韓進仕，張備，黃偉，李武奇以及楊鵬帥等諸位師兄，感謝他們給予的指導和幫助。感謝同門何偉，周金，秦闊。此外，要感謝我的父母和親人。

最后特別感謝百忙中抽出時間給予寶貴意見和專業(yè)指導的編輯部及審稿的專家、教授們。