浙江省交通规划设计研究院浙江杭州310058
摘要：针对杭金衢高速公路拓宽导致边坡滑动后的稳定性问题，采用ABAQUS有限元软件，计算分析桩基施工对边坡稳定性的影响。结果表明，初始边坡最大水平位移发生在上段滑坡体，路面拓宽后，滑坡体的水平变形主要集中在下段；滑坡的治理可采用分阶段实施方案，桩基施工不会对边坡安全性产生影响。
关键词：边坡；桩基施工；稳定性；有限元
前言
边坡工程中最重要的问题是保留岩体的稳定性问题[1~2]，但自然界构成边坡的岩体被一系列断层、层面、挤压带、和节理裂隙等结构面切割，形成一个复杂的不连续地质介质[3~4]。因此岩体是内部表现出不均匀性、各向异性，导致力学性质差异很大，很难保证边坡的稳定性。由此设计者通过不断地探索创新，在节省工程的基础上设置抗滑桩。抗滑桩穿过计算出的有可能滑动面，或已经滑裂的滑动面，并将桩端底固定在岩体中，桩的另一端固定在结构表面，增加滑动面抗剪强度，来达到提高边坡稳定性的目的。雷国军等[5]针对某工程在软土地基上的长江防洪堤边坡架设管廊后的边坡稳定问题，采用抗剪强度折减有限单元法，对比分析了现有边坡以及桩基施工并承载后边坡的稳定性。结果表明，桩基的存在和其所承受的荷载分别对边坡的稳定性具有有利和不利的影响，通过将桩端设置在合适的持力层上，正反两方面的影响基本可以抵消，桩基及管廊施工后对江堤边坡的稳定性影响很小。
抗滑桩不仅可以提高滑动面的抗剪强度[6]，也对节理岩体自身的抗剪强度有所改善。岩体中发育的各类节理所形成的结构面会随着边坡开挖过程产生开裂、滑移，特别是采用爆破开挖的边坡，爆破震动所带来的爆破损伤区内岩体节理变化尤为明显，采用抗滑桩能使节理的结构面闭合、压紧，即增加了岩体围压，而又减小了岩体的变形，从而达到增加弹性模量的目的。
1工程概况
本项目起自杭金衢高速公路后宅枢纽，义乌疏港高速公路工程，双向四车道高速公路，路基宽度26m。枢纽区存在滑坡体，根据施工存档资料分析，2001年10月，路堑开挖过程中，该边坡曾多次发生坡面裂缝和基岩崩塌，最大崩塌近万方，施工完成后路堑边坡最大开挖高度约45m，开挖边坡平均坡度约45°，并约有六万方弃渣堆放于该边坡坡腰山谷范围。2005年2月，春季雨水较多，养护人员发现该坡挡墙和护面墙均出现一些裂缝，并且在持续几周观测中，路堑边坡和坡脚挡墙裂缝均有持续扩展和新裂缝出现[7]。对滑坡治理采用了分阶段实施的防护方案，对上段滑体低部设置即边坡坡腰设置一排抗滑桩后，监测结果反应出边坡稳定，未实施第二排抗滑桩，在高速公路拓宽时采用第二排抗滑桩。后宅枢纽共有四个匝道，匝道的桩基础位于滑动边界范围外，匝道桩基距离滑坡体两侧较近，因后宅枢纽跨越杭金衢高速公路导致有些桩基位于杭金衢高速公路中央分离带上；其余匝道桩基距离路堑横断面中心线最近距离为24m、45m、62m及以上。经对该区域地质分析及与有关地质专家探讨，上跨杭金衢高速的匝道尽量避开滑坡体布设。
2本构介绍与数值模型
计算针对不同土体采用了MC理想弹塑性模型和扩展DP理想弹塑性模型。MC模型是基于材料破坏时反映应力状态的莫尔圆提出的，破坏线是与这些莫尔圆相切的直线，在π平面上，MC模型为等边不等角的六边形，屈服面存在尖角。
ABAQUS采用的本构模型是经典MC屈服准则的扩展，MC屈服函数，包括粘聚力的各向同性的硬化和软化，但该模型的流动势函数在子午面上的形状为双曲线，在π平面上没有尖角，因此势函数完全光滑，确保了塑性流动方向的唯一性。
滑坡典型地质分布包括①坡积层、杂填土；②破碎带；③强风化凝灰岩；④弱风化凝灰岩；⑤微风化凝灰岩；⑥微风化凝灰质粉砂岩；⑦弱风化砾岩；⑧微风化砾岩。滑坡体的滑动带控制着整个边坡的稳定性。根据滑坡体和后宅枢纽的空间相对位置关系，建立相应的数值分析模型。其中，I号抗滑桩为2005年该边坡滑动时采取的措施；II号抗滑桩为杭金衢高速公路拓宽时施工，抗滑桩截面尺寸为3m×2m，间距6m，桩长35m。整个有限元计算模型长度为801m，宽度为3m，高度316。
3结果分析
初始应力场平衡后，进行路堑开挖，同时因为雨水入渗等导致破碎带参数弱化进而引起边坡滑动，水平位移分布见图1所示。最大水平位移发生在上段滑坡体，最大水平位移为3.020cm；图2为此时等效塑性应变分布，主要集中分布在上段滑坡体区域，最大等效塑性应变为3.567×10-2；下段滑坡体最大等效塑性应变为7.254×10-3，发生在靠近上段滑坡体处，靠近路堑附近最大等效塑性应变为6.410×10-4。说明此时主要是边坡上段发生滑动，该滑段的下滑力主要由上滑床提供的向上摩阻力、抗滑桩支挡力，不足部分由下部滑坡体提供，维系整个滑坡的平稳。也说明了在第一阶段采用I号抗滑桩可以保证整个边坡的稳定，这与实际实施至今滑坡没有发生位移相吻合。
图1水平位移图2等效塑性应变
图3给出了施做II号抗滑桩并进行拓宽开挖后引起的整体水平位移分布，由图可见该工况引起的最大水平位移为1.075cm，主要发生在拓宽侧。对于滑坡体而言，引起的水平变形主要集中在下段滑坡体，对上部滑坡体变形影响很小。
图4为公路拓宽以后引起的等效塑性应变分布，对比图2可知，最大等效塑性应变均为3.567×10-2，说明位于下段滑坡体的拓宽对滑坡体上段安全性没有影响。拓宽主要影响下段滑坡体，靠近上段滑坡体区域的最大塑性应变为7.254×10-3，靠近路堑处的最大塑性应变为3.418×10-3与路堑开挖（最大塑性应变为6.410×10-4）对比可知，增加了近20倍，但其分布区域主要集中在拓宽开挖处下部很小区域，对下段滑坡体安全性影响不大。
图3拓宽引起整体水平位移变化图4拓宽引起边坡等效塑性应变分布
后宅枢纽工程桩施工开挖后引起的等效塑性应变整体及下段滑坡体分布与图4基本相似，可知桩开挖施工对整体及下滑段最大等效塑性应变没有影响。因此可以得出后宅枢纽桩基施工对边坡的安全性没有影响。
4结论
本文以实际工程为模型，采用有限元软件计算分析桩基施工对边坡的影响，得出如下结论：
（1）初始边坡最大水平位移发生在上段滑坡体，最大水平位移为3.020cm；路面拓宽后，滑坡体的水平变形主要集中在下段，最大水平位移为1.075cm。
（2）滑坡的治理可采用分阶段实施方案，保证边坡稳定性，且桩基施工对边坡安全性几乎不会产生影响。
（3）结构面位置对边稳定性影响是一个变化的过程，越靠近坡底成为优势面的可能性越大；而结构面抗剪强度将直接决定边坡失稳方式，当其抗剪强度过低时，不论结构面位置如何变化，层间结构面都将会成为滑动面。
参考文献：
[1]陈祖煜.岩质边坡稳定：原理•方法•程序[M]北京：中国水利水电出版社，2005，243-288.
[2]朱益军，殷山鸿，朱向荣.郭宵桐岭岗1_砾岩高边坡稳定性研究_朱益军科技通报2006，22（1）：105-110.
[3]苏天明，张艳鸽.风化岩腔边坡的演化与应力场分析[J].公路交通科技.2013，30（7）：30-34.
[4]何博.晋宁磷矿层状边坡变形失稳机理研究[D].昆明：昆明理工大学，2015，6.
[5]郭霄.岩体结构面抗剪强度经验估算方法的试验对比研究[D]．浙江工业大学硕士学位论文，2004，5.
[6]雷国辉，雷国刚，胡新元.桩基工程对长江防洪堤边坡稳定性的计算分析[J].水利水电科技进展.2006，26（2）：48-51.
[7]曾铃，付宏渊，贺炜等.降雨入渗因素对炭质泥岩路堤边坡稳定性影响研究[J].公路交通科技，2013，30（3）：39-58.
作者简介：马越峰，浙江省交通规划设计研究院，杭州环城西路89号，310006，43岁，汉，硕士，教高，分院院长，长期从事公路设计与科研工作。