宋英杰，陳文強，李長冬

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

抗滑樁加固后邊坡穩(wěn)定性評價與樁位優(yōu)化研究進(jìn)展

宋英杰，陳文強，李長冬

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

邊坡失穩(wěn)是影響人類工程建設(shè)活動安全性的一類常見的地質(zhì)問題，抗滑樁是邊坡治理工程中常用的防治措施之一，但是目前考慮加樁后邊坡的穩(wěn)定性研究較少。針對抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性評價和抗滑樁樁位布設(shè)優(yōu)化問題的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，重點綜述了:抗滑柱加固邊坡的穩(wěn)定性分析方法，即國內(nèi)外在理論計算、數(shù)值模擬和物理模型實驗三方面的研究成果，并對比分析了各自的優(yōu)缺點;目前常用的抗滑樁最優(yōu)布設(shè)分析方法，并指出了各自的適用條件;當(dāng)前邊坡工程中抗滑樁樁位優(yōu)化研究的現(xiàn)狀，并對今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，可為今后類似研究提供一定借鑒與參考。

邊坡;抗滑樁;穩(wěn)定性分析;樁位優(yōu)化

近幾十年來，伴隨著國內(nèi)外工程建設(shè)活動的蓬勃發(fā)展，作為自然界中廣泛分布的一類地質(zhì)體，邊坡的穩(wěn)定性分析及加固問題一直是工程領(lǐng)域的研究熱點問題。工程實踐表明，通過采取邊坡加固措施如擋土墻、錨索、抗滑樁等可以顯著提高邊坡的穩(wěn)定性，避免工程建筑遭受破壞。通過抗滑樁加固邊坡是應(yīng)用廣泛的一種加固措施，目前關(guān)于抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析已經(jīng)發(fā)展了多種方法。抗滑樁的樁位布設(shè)問題不僅會影響邊坡的穩(wěn)定性，還與實際工程造價有關(guān)，合理地布設(shè)抗滑樁樁位能大大節(jié)約成本，因此很有必要對抗滑樁的合理樁位問題進(jìn)行研究，但目前關(guān)于此問題的研究常由于采用不同的方法得出的結(jié)果往往有差異。鑒于此，本文針對抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性分析方法和抗滑樁樁位布設(shè)優(yōu)化問題的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和分析，并指出當(dāng)前邊坡工程中抗滑樁合理樁位研究領(lǐng)域存在的主要問題，為工程實踐和理論研究提供一定的借鑒與參考。

1 抗滑樁加固后的邊坡穩(wěn)定性分析方法研究進(jìn)展

自20世紀(jì)50年代抗滑樁開始被應(yīng)用于邊坡的加固以來，大量的工程實踐和理論研究都表明，通過抗滑樁來加固可能或已經(jīng)滑動的邊坡是一種行之有效的方法［1］。國內(nèi)外許多學(xué)者都對抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了廣泛的研究，目前主要的研究方法有理論計算、數(shù)值模擬、物理模型實驗等幾個方面。

1．1 理論計算

目前國內(nèi)外用于計算抗滑樁加固邊坡提供的抗滑力與加固后邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(也稱穩(wěn)定安全系數(shù))的方法主要包括極限平衡法、極限分析法和強度折減法等。

1．1．1 極限平衡法

極限平衡法是以Mohr-Coulomb強度理論為基礎(chǔ)，運用力學(xué)平衡原理對即將產(chǎn)生滑動破壞的潛在滑動面上的巖土體用靜力平衡條件來求得邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)［2］。當(dāng)前國內(nèi)外以極限平衡法為基礎(chǔ)的方法主要有Fellenius法［3］、簡化 Bishop法［4］、Morgenstern-Price法［5］、Spencer(1967，1973)法［6-7］、Sarma(1973)法［8］、Janbu(1973)法［9］和國內(nèi)常用的推力傳遞法［10］等。

目前，抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性計算大多是通過計算作用在抗滑樁上的主動土壓力或剩余推力來得到邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。關(guān)于抗滑樁提供的抗滑力的計算方法，國內(nèi)的計算方法主要可歸納為懸臂樁法和地基系數(shù)法［11］;國外Ito等通過運用極限平衡的方法和作者本人導(dǎo)出的作用在單排樁的橫向力對地基塑性變形的理論方程(Ito-Matsui方程［12］)，進(jìn)行了單排樁加固的邊坡穩(wěn)定性分析［13］;穆啟超等［14］運用剩余推力法對抗滑樁加固新房村滑坡的可行性進(jìn)行了研究。

極限平衡法的優(yōu)點是原理簡單、計算過程簡便且得出的邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果可以應(yīng)用于實際工程中，因此該法仍是邊坡工程中廣泛被應(yīng)用的方法;但該法的缺點是:①需要事先假定滑動面，再通過安全系數(shù)的表達(dá)式反過來求解可能的滑動面，求解的過程需要通過迭代求解隱式方程組，求解結(jié)果存在誤差;②對于非均質(zhì)、分層巖土體，事先假設(shè)的滑動面與實際情況相差較大;③沒有考慮巖土體的實際應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，假設(shè)的巖土體的受力情況與實際不符。

1．1．2 極限分析法

極限分析法將巖土體視為理想剛塑性體，滿足屈服準(zhǔn)則、流動準(zhǔn)則和小應(yīng)變假設(shè)，根據(jù)所求得的極限解的大小可分為極限分析上限定理和下限定理［15］。由20世紀(jì)70年代金屬塑性理論發(fā)展而來的極限分析法的實質(zhì)就是通過找出某一個問題最大膽(上限解)和最保守(下限解)的解答后，再從中確定一個解作為問題的正確解。如果上限解等于下限解，則所得的解就是準(zhǔn)確解［16］。

極限分析上限法也稱能量法，這種方法認(rèn)為巖土體為理想剛塑性體，然后利用連續(xù)介質(zhì)的虛功原理和塑性力學(xué)的上限定理求解邊坡穩(wěn)定性問題。早期Chen［17］和很多學(xué)者都用能量法討論了邊坡的穩(wěn)定性，其基本思路是:從變形協(xié)調(diào)出發(fā)，對于已設(shè)定的滑裂面建立協(xié)調(diào)的速度場，然后以內(nèi)能耗散和外力功相平衡的原理為基礎(chǔ)，得到相應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。該方法假設(shè)滑動面如圖1所示，為了簡化，將坡體視為均質(zhì)、各向同性和干燥的土體，滑動面的方程為［18］

式中:r0為對數(shù)螺旋線關(guān)于O點的半徑(m);rF為與角度θF(rad)有關(guān)的半徑(m);為土體的內(nèi)摩擦角(°);F為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

圖1 單排樁加固的螺線形邊坡滑動面破壞機(jī)制示意圖［18］Fig．1 Rigid rotation collapse mechanism of slope reinforced with a row of piles

滑體關(guān)于O點的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω(rad/s)，根據(jù)能量法的基本原理，當(dāng)外部荷載(包括重力)做功功率和內(nèi)力能量消散功率相等時，坡體處于極限平衡狀態(tài)。重力做功功率W1(kW)可以表示為［18］

式中:γ為土體的重度(kN/m3);f1～f4為關(guān)于α(°)、θ0(rad)、θh(rad)(°)、β(°)和β'(°)的無量綱函數(shù)。

對于單排樁加固的邊坡，內(nèi)力所做能量消散功率包括滑動面土體內(nèi)聚力的能量消散功率D1(kW)和樁體附近本身功率D2(kW)。內(nèi)力做功功率可以表示為［18］

式中:c為土體的內(nèi)聚力(kPa)。

樁體做功功率可以表示為［18］

式中:Fp為樁對單位寬度的滑體施加的力(kN/m)。

f1～f5的計算公式如下［18］:

式中:L為坡面與坡頂?shù)慕稽c與滑動面與坡頂?shù)慕稽c之間的距離(m)，見圖1;H為坡面與坡頂?shù)慕稽c至水平地表面間的距離(m);為土體的折減內(nèi)摩擦角(°)。

D1和D2之和就是總的內(nèi)能耗散，由外力功和內(nèi)能耗散相平衡的原理可以推導(dǎo)出［18］:

Fp的計算公式為［18］

式中Fp可采用Ito和Matsuil的彈塑性理論來求得［13］。因為滑動面和地面之間樁的長度h與Fp的值是相關(guān)的，所以當(dāng)每次選擇一個新的滑動面時，要根據(jù)新選擇的滑動面來計算Fp的大小，即運用公式來求得Fp從而確定一個新的穩(wěn)定系數(shù)，這種方法比傳統(tǒng)極限平衡法更方便且符合實際。

1．1．3 強度折減法

20世紀(jì)70年代末，Zienkiewice等［19］就已經(jīng)提出將強度折減技術(shù)和有限元法結(jié)合起來。近年來，隨著數(shù)值計算水平的發(fā)展，有限元強度折減法已成為比較常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法。

Ugai［20］假定土體為理想的彈塑性材料，采用強度折減有限元法對直立邊坡、傾斜邊坡、非均質(zhì)邊坡及存在孔隙水壓力的復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，指出彈塑性折減有限元法具有較強的適應(yīng)性。國內(nèi)最早將強度折減法應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析的是宋二祥，他采用強度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并以邊坡中某一部位的位移作為收斂指標(biāo)［21］。此外，針對當(dāng)前強度折減彈塑性有限元法中存在的只對強度參數(shù)折減的問題，鄭宏等［22］提出了應(yīng)同時考慮力學(xué)參數(shù)的影響，并給出了相應(yīng)的調(diào)整措施。

有限元強度折減法的優(yōu)點是不用預(yù)先假定滑動面的形態(tài)、位置等，考慮了樁與土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，與實際情況相符，并且可以求解出應(yīng)力、位移等情況;缺點是評價塑性破壞的指標(biāo)未統(tǒng)一，基于迭代數(shù)值計算的終止條件不明確，且對于非連續(xù)介質(zhì)該方法不太實用，并存在一定誤差。

1．2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法就是把科學(xué)研究和實際工程中的問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型，再運用數(shù)學(xué)方法來模擬實際問題，從而更為方便、迅速地探究其本質(zhì)和規(guī)律，目前數(shù)值模擬法已被廣泛應(yīng)用于抗滑樁邊坡加固工程研究中。常用的數(shù)值模擬軟件主要有ABAQUS、FLAC3D、ANSYS等。如邵安東等［23］釆用有限元差分軟件FLAC3D，以邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為主要的參數(shù)指標(biāo)，對抗滑樁加固邊坡的樁位優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明當(dāng)抗滑樁設(shè)置在滑坡中部時，樁的支護(hù)效果可以達(dá)到最佳;戎斌斌［24］運用ABAQUS有限元軟件對路塹和挖方公路邊坡中常見的滑坡進(jìn)行了模型簡化，并選取弧形邊坡的斷面進(jìn)行了抗滑樁樁位的三維有限元分析，結(jié)果表明呈矩形分布的抗滑樁的最優(yōu)樁位處在弧形邊坡的中下部區(qū)域;Reddish等［25］對樁在不同布設(shè)位置的通用邊坡進(jìn)行了量綱數(shù)值分析，結(jié)果表明一種能夠提供遞增的穩(wěn)定性系數(shù)的穩(wěn)定力的簡單模型需要結(jié)合另一種模型，可以通過此模型來限制排樁的相互作用，從而得到樁距比例對穩(wěn)定系數(shù)影響的直觀估計。

1．3 物理模型試驗法

物理模型試驗可以精確地控制邊坡的邊界條件、抗滑樁和巖土體的材料特性，因此在研究樁-土相互作用時具有針對性和目的性，同時物理模型試驗也具有時效性，可以研究其穩(wěn)定性隨時間的變化規(guī)律，還可用其結(jié)果驗證理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。如余小馬［26］結(jié)合工程實例對抗滑樁滑坡推力和樁前滑體的抗力分布問題以及抗滑樁合理位置確定問題進(jìn)行了對比研究，實例研究表明:在抗滑樁設(shè)計中采用不同的滑坡推力和土體抗力分布形式時，對抗滑樁的內(nèi)力計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計將產(chǎn)生較大的差異并影響其效果［26］;張濤等［27］通過開展懸臂式單根錨桿抗滑樁加固黃土滑坡的室內(nèi)模型試驗研究，結(jié)果表明:在滑坡推力作用下，懸臂式錨桿抗滑樁受荷段樁后受壓、樁前受拉，而嵌固段樁后受拉、樁前受壓，錨桿抗滑樁受力形式呈“S”曲線狀;懸臂式錨桿抗滑樁的破壞模式主要為塑性鉸彎折破壞，而土體中錨桿的破壞模式主要為彎剪-滑移破壞。

綜上所述，目前國內(nèi)外關(guān)于抗滑樁加固邊坡后的穩(wěn)定性評價的研究方法主要有理論計算、數(shù)值模擬和物理模型試驗三個方面。在理論計算中，極限平衡法需要事先假定可能滑動的滑動面，采用條分的方法來逐條計算各條塊的受力，該方法原理簡單，但并沒有考慮巖土體與樁的真實應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，且引入的簡化假定也與實際情況不符;極限分析法假定巖土體為理想的剛塑性體，應(yīng)滿足屈服準(zhǔn)則、流動準(zhǔn)則和小應(yīng)變假設(shè)，可找出最可能的滑動面，但該法通常需要假定滑動面的形態(tài);有限元強度折減法不用假定滑動面的位置、形態(tài)等，考慮了巖土體的真實應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，并且可以求解應(yīng)力、位移等情況，但該法評價塑性破壞的指標(biāo)不統(tǒng)一，對于非連續(xù)介質(zhì)也不太實用。相比于理論計算，數(shù)值模擬法和物理模型試驗法可以獲得更多的有關(guān)受力、位移等的真實情況，但數(shù)值模擬法不能很好地考慮樁與土之間的相互作用且該法往往依賴于數(shù)值計算技術(shù)，過程較復(fù)雜;物理模型試驗法不僅很好地考慮了樁與土的相互作用，且具有時效性，能對理論計算和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗證。

2 抗滑樁樁位布設(shè)優(yōu)化研究進(jìn)展

目前關(guān)于抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計方面已經(jīng)取得一些成果，但關(guān)于抗滑樁的樁位布設(shè)優(yōu)化方面成果并不多且得出的結(jié)論也有所差異?？够瑯兜臉段徊荚O(shè)不僅會影響邊坡的穩(wěn)定性，還會影響抗滑樁的設(shè)計樁長，從而對工程造價產(chǎn)生影響，因此有必要對抗滑樁的樁位布設(shè)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，找出合理布設(shè)的位置。本文認(rèn)為抗滑樁的最優(yōu)布設(shè)位置是指將邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)提高到設(shè)計安全系數(shù)時抗滑樁所需提供的抗滑力取得最小值的位置;最安全布設(shè)位置是指使邊坡取得最大穩(wěn)定性系數(shù)的位置。目前常用的抗滑樁最優(yōu)布設(shè)分析方法主要有極限平衡法、極限分析法、有限元強度折減法、數(shù)值模擬法、物理模型試驗法等。

2．1 極限平衡法

極限平衡法在抗滑樁樁位優(yōu)化中被廣泛應(yīng)用，其通過研究抗滑樁加固邊坡時所提供的抗滑力和穩(wěn)定安全系數(shù)等可以對抗滑樁的樁位進(jìn)行優(yōu)化，得出抗滑樁最優(yōu)布設(shè)位置和最安全布設(shè)位置等。如Ito等［12］研究表明:當(dāng)抗滑樁的樁位位于邊坡中上部時對邊坡穩(wěn)定性的影響最大;Poulos［28］研究指出，應(yīng)將抗滑樁樁位布設(shè)于臨界破壞楔體中部附近，以此來避免僅僅將破壞面定在樁的前面或后面;Lee等［29］通過運用簡化的Bishop滑動圓弧法計算得出:對于均質(zhì)土坡，最有效的布設(shè)樁位是坡頂和坡腳處，對于下伏硬巖、上部為軟巖的雙層土坡，最有效的布設(shè)樁位應(yīng)位于邊坡中部與坡頂之間;Hassiotis等［30］通過運用莫爾圓方法和公式計算得出，抗滑樁布設(shè)的最安全位置為邊坡的坡頂附近，特別是邊坡很陡的情況;王亮清等［31］基于剩余推力法，以湖北省巴東縣宋家屋場滑坡為例，提出用“結(jié)構(gòu)設(shè)計法”來確定抗滑樁的樁位，研究表明:抗滑樁布設(shè)在滑坡體中部時的彎矩和剪力比較小，即工程量和工程所需成本較小，此位置即為抗滑樁的合理布設(shè)位置;李家平等［32］介紹了一種基于瑞典法和簡化Bishop法來分析抗滑樁加固邊坡的極限平衡法，通過與某閘室岸坡工程算例結(jié)合，得到如下結(jié)論:①抗滑樁的布設(shè)能夠有效地提高邊坡的穩(wěn)定性;②當(dāng)抗滑樁的布設(shè)通過邊坡潛在危險滑動面最低點時，其加固邊坡的效果最好;③抗滑樁的布設(shè)會改變邊坡潛在危險滑動面的位置。

運用極限平衡法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問題時，其主要存在如下問題:①引入的簡化假定與實際的抗滑樁的受力、位移等情況不符;②不同的假定滑動面情況下，抗滑樁的合理受力形式并沒有明確地給出;③對于事先假定的滑動面的選擇和巖土條塊的劃分目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但由于極限平衡法原理簡單，且求解出的結(jié)果滿足工程應(yīng)用的要求，因此該方法目前仍是實際工程中研究抗滑樁樁位優(yōu)化問題的常用方法。

2．2 極限分析法

除了運用極限平衡法之外，很多研究者采用了極限分析法來進(jìn)行抗滑樁邊坡加固工程的優(yōu)化。如Ausilio等［33］通過運動學(xué)的極限分析法，分析了用抗滑樁加固土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明:抗滑樁的最優(yōu)布設(shè)位置在近坡腳處，在穩(wěn)定系數(shù)相同的情況下，此時抗滑樁的受力取得最小值，此外當(dāng)抗滑樁布設(shè)在邊坡中部到坡腳范圍內(nèi)時，抗滑樁對穩(wěn)定邊坡更有效;Nian等［34］通過極限分析得出:抗滑樁的最優(yōu)布設(shè)位置位于邊坡的坡腳處，此時抗滑樁在滿足相同穩(wěn)定安全系數(shù)的條件下受力最小;Li等［18］運用極限分析上限定理和Ito等［12］提出的塑性理論來計算抗滑樁提供的水平向抗滑力，并對抗滑樁的合理布設(shè)位置進(jìn)行了研究，并指出:當(dāng)抗滑樁提供的抗滑力足夠大時，最有效的布設(shè)位置是靠近坡頂?shù)奈恢?，而考慮抗滑樁能提供的抗滑力與所需提供的抗滑力的關(guān)系時，最合適的布設(shè)位置與設(shè)計的穩(wěn)定安全系數(shù)有關(guān)，最安全的布設(shè)位置是邊坡的中上部區(qū)域;Li等［35］考慮抗滑樁加固邊坡的土拱效應(yīng)和強度折減技術(shù)，運用極限分析法對堆積層滑坡中抗滑樁的合理布設(shè)范圍進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:抗滑樁的布設(shè)存在一個合理的布設(shè)范圍，在同一截面上，根據(jù)樁的受力情況，抗滑樁布設(shè)應(yīng)從中間向兩邊由密到疏。

目前運用極限分析法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問題時，其主要存在如下問題:①計算求解過程復(fù)雜，有時上、下限法得出的上、下限解相差太大，影響實際工程運用可信度;②事先假定的滑動面的形態(tài)較少，且與實際滑面形態(tài)有差別;③目前尚很少考慮抗滑樁的滑面以下部分的受力等情況及其對樁位優(yōu)化的影響。由于極限分析法假定邊坡巖土體為理想彈塑性體，應(yīng)滿足小應(yīng)變假設(shè)，因此該方法主要用于抗滑樁加固未明顯滑動的邊坡問題分析中。

2．3 有限元強度折減法

目前有限元強度折減法是比較常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，它通過不斷降低巖土體抗剪強度參數(shù)，直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)，此時的強度折減系數(shù)就是穩(wěn)定安全系數(shù)。如韋立德等［36］針對抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性優(yōu)化問題，釆用抗剪強度折減彈塑性有限元法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在坡腳和坡頂水平且?guī)r土體材料是各向同性的邊坡中，如釆用單排抗滑樁加固，則抗滑樁布設(shè)在邊坡中部時最有利于提高邊坡的穩(wěn)定性，且增大抗滑樁的密度比增大樁徑更能有效地提高邊坡穩(wěn)定性;雷文杰等［37］采用有限元強度折減法對單排樁、樁間距為4 m的抗滑樁加固滑坡的樁位進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明:當(dāng)抗滑樁設(shè)置在不同的位置時，滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)是不同的，滑動面的位置和形狀也相差各異;在穩(wěn)定安全系數(shù)相同的情況下，當(dāng)抗滑樁位于斜坡中部時所受的滑坡推力、內(nèi)力最大，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，在中部設(shè)置抗滑樁是不合理的;抗滑樁設(shè)置在斜坡中部時的穩(wěn)定安全系數(shù)最高，靠近兩端時斜坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變化規(guī)律大致相同;當(dāng)抗滑樁設(shè)置在斜坡中下部時，滑動面為在樁頂或斜坡上部某位置越頂滑出，當(dāng)抗滑樁設(shè)置在斜坡上部時，滑動面沿樁前土體滑出;譚捍華等［38］基于強度折減技術(shù)和巖土塑性極限分析理論，從能量法的角度研究了巖土邊坡抗滑樁加固位置、樁長和多抗滑樁共同加固邊坡的分析方法，結(jié)果表明:抗滑樁布設(shè)位置的改變對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)、臨界滑裂面位置和樁長均有顯著影響，抗滑樁加固邊坡的最優(yōu)布設(shè)位置應(yīng)位于邊坡中下部區(qū)域;鄒盛堂等［39］采用彈塑性有限元強度折減法對抗滑樁加固土坡進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，并且考慮了樁-土相互作用，研究了邊坡潛在危險滑動面和穩(wěn)定性系數(shù)與抗滑樁樁位的關(guān)系，結(jié)果表明:對于均質(zhì)土坡，在滑面未知的情況時抗滑樁宜設(shè)置于邊坡中部偏下［39］。

運用有限元強度折減法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問題時，其存在的主要問題是評價抗滑樁加固邊坡后的塑性破壞的指標(biāo)目前尚不統(tǒng)一，對于非連續(xù)介質(zhì)問題該法不太適用，但相對前兩種理論計算方法，該方法由于不需要事先假定滑面形態(tài)，且較好地考慮了巖土體的真實應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，因此仍是常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法之一。

2．4 數(shù)值模擬法

Cai等［40］通過三維有限元軟件分析得出:抗滑樁應(yīng)布設(shè)在坡體中部位置，以獲得最大的穩(wěn)定安全系數(shù);Bellezza等［41］分析了被單排抗滑柱加固的雙層土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明:在不同的土體抗剪強度情況下，邊坡穩(wěn)定性分析樁位也不同，最優(yōu)樁位即是加固邊坡取得最大穩(wěn)定安全系數(shù)的位置;Won等［42］通過有限差分法FLAC3D軟件分析得出:當(dāng)抗滑樁布設(shè)于邊坡中部時，作用在樁上的壓力取得最大值，同時抗滑樁加固的邊坡也可以取得最大的穩(wěn)定安全系數(shù);夏永成［43］對抗滑樁的合理位置運用ABAQUS軟件和Geoslope軟件進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:抗滑樁加固邊坡能有效地提高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，在邊坡中部附近設(shè)置抗滑樁能使加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到最大;Wei等［44］通過運用FLAC3D軟件對單排樁加固的邊坡進(jìn)行了分析，在樁距很短時將邊坡的臨界滑動面分成了兩部分，結(jié)果表明:隨著樁距的增長，臨界滑動面漸漸清晰地形成;邊坡中單排樁的最優(yōu)樁位在邊坡中部和臨界滑動面中部之間;董必昌等［45］提出一種對邊坡進(jìn)行有限元分析，找出位移最大的位置，在此設(shè)置抗滑樁并進(jìn)行配筋設(shè)計的抗滑樁優(yōu)化設(shè)計方法，經(jīng)工程實例驗證該方法所得結(jié)果相對傳統(tǒng)配筋設(shè)計方法更合理;Li等［46］利用FLAC2D軟件對單排樁樁位及其分布對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了評估，并將數(shù)值分析結(jié)果與簡化Bishop法等進(jìn)行了比較，結(jié)果表明:樁土相互作用顯著地影響了邊坡穩(wěn)定性，當(dāng)抗滑樁位于邊坡的中部時可以取得最大的穩(wěn)定安全系數(shù)，即最優(yōu)樁位;年廷凱等［47］采用強度折減有限元程序通過三維數(shù)值模擬研究了抗滑樁-邊坡體系的計算模型尺度、設(shè)樁位置等對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明:抗滑樁的最安全位置為邊坡中部。

運用數(shù)值模擬法研究抗滑樁位優(yōu)化問題時，可以較直觀地展示巖土體與樁的應(yīng)力、位移等情況和滑動面的形成發(fā)展過程，并可以對所研究的問題通過數(shù)值模擬驗證理論計算的結(jié)果;但該方法的缺點是不能很好地考慮抗滑樁與邊坡巖土體的相互作用，且計算結(jié)果的精度依賴于數(shù)值計算技術(shù)。

2．5 物理模型試驗法

高長勝等［48］通過離心模型試驗對不同樁位與樁頭條件下釆用抗滑樁加固邊坡的變形破壞特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:抗滑樁設(shè)在邊坡中部以及樁頭固定情況下對邊坡土體的遮擋效果最佳，同時邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)可達(dá)到最大值;李榮建等［49］通過室內(nèi)模型試驗研究了在地震作用下不同加固位置的抗滑樁的動力響應(yīng)和邊坡變形情況，結(jié)果表明:采取較高的加固位置可以有效地發(fā)揮抗滑樁的抗彎承載能力，并有利于抑制坡頂沉降和坡頂建筑物的穩(wěn)定;雖然加固于邊坡中部的抗滑樁承載能力發(fā)揮略小，但對抑制坡底變形和防止局部失穩(wěn)有明顯促進(jìn)作用，從而能有效地保護(hù)邊坡底部建筑物;楊光華等［50］通過室內(nèi)物理模型試驗對推移式、牽引式和復(fù)合式三種形式滑坡進(jìn)行了分析，研究了不同樁位的穩(wěn)定安全系數(shù)的大小與坡體應(yīng)力場和位移場的關(guān)系，結(jié)果表明:推移式滑坡的最優(yōu)樁位在坡體的上部，牽引式滑坡的最優(yōu)樁位在坡體下部，復(fù)合型滑坡的最優(yōu)樁位在坡內(nèi)應(yīng)力水平和位移較大的位置上;徐駿等［51］采用室內(nèi)模型試驗方法對已知滑面的折線形滑坡的雙排樁推力分擔(dān)規(guī)律進(jìn)行了研究，并指出改變樁排間距、樁頂埋深能有效地改善雙排樁滑坡推力分擔(dān)比例［51］。

運用物理模型試驗法研究抗滑樁樁位優(yōu)化問題，物理模型與實際的工況具有很好的可比性，可以更好地考慮樁與土的作用，且具有時效性，因此可采用此方法對理論計算和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗證，但應(yīng)用該法時需考慮尺寸效應(yīng)的影響。

3 存在的問題及研究展望

綜上所述，對于抗滑樁加固邊坡后的穩(wěn)定性研究成果較多，研究方法主要有極限平衡法、極限分析法、強度折減法、數(shù)值模擬法和物理模型試驗法。然而針對抗滑樁的合理樁位優(yōu)化問題，雖然許多學(xué)者采用了許多方法從多方面進(jìn)行了研究，但總的來說尚未形成一個完整的體系，本文認(rèn)為還應(yīng)該從以下方面進(jìn)行更深入的研究:

(1)在抗滑樁邊坡加固工程中，很多理論都是基于抗滑樁是完全剛性或其承載力足夠大，但實際工程中抗滑樁并不是完全剛性的，并且其承載能力有限，因此在進(jìn)行抗滑樁邊坡加固工程中有必要考慮樁體本身的性質(zhì)。

(2)目前對抗滑樁的樁位優(yōu)化問題研究大多數(shù)只是集中于單排樁加固邊坡的情況，然而實際上對于大型邊坡，如果單排樁加固后仍不能滿足安全的要求，則需要對其進(jìn)行雙排樁加固，但實際工程中已廣泛采用的雙排樁甚至多排樁加固邊坡的樁位優(yōu)化問題尚未進(jìn)行深入研究，因此對雙排樁或多排樁邊坡加固工程進(jìn)行研究，則更符合實際工程情況。

(3)針對不同幾何形態(tài)的的邊坡加固工程，抗滑樁布設(shè)樁位優(yōu)化問題的研究較少，實際工程中的邊坡形狀變化較大，并不單一，而目前針對此類邊坡抗滑樁的樁位優(yōu)化研究的理論知識還不夠成熟，有待深入研究。

(4)在地震頻發(fā)的地區(qū)，地震對邊坡會產(chǎn)生顯著的破壞效應(yīng)，降低邊坡的穩(wěn)定性，給工程建筑帶來安全隱患，而目前關(guān)于地震作用下抗滑樁的樁位優(yōu)化研究較少，對該方面的研究將具有重要意義。

(5)目前對于抗滑樁加固工程的研究沒有考慮巖床的多層性，而實際工程中巖床可能是多層，如三峽地區(qū)侏羅系地層為軟硬夾層，研究抗滑樁樁位優(yōu)化時如果能考慮下伏巖床的巖性及巖層夾層，則會更具有工程實踐應(yīng)用價值。

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Research Progress of the Stability Evaluation of Slope Reinforced with Stabilizing Piles and Optimization of Pile Location

SONG Yingjie，CHEN Wenqiang，LI Changdong
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

The collapse of slope is a common geological problem greatly affecting the safety of human engineering construction activity．One of the most commonly used prevention and control measures in slope treatment projects is stabilizing piles．However，there has been few researches on the evaluation of slopes reinforced with piles so far．This paper is to summarize and analyze the researches on stability evaluation of slopes reinforced with piles and optimization of the location for stabilizing piles．The paper mainly reviews the approaches of stability analysis of slopes reinforced with stabilizing piles in the achievements in theoretical calculation，numerical simulation and physical tests and compares their advantages and disadvantages．Then the paper summarizes and analyzes the common methods of optimizing the stabilizing pile location and applicable conditions．At last，the paper points out the development direction for future research，which may provide reference for similar research in future．

slope;stabilizing pile;stability analysis;optimization of pile location

X43;P642．22;TU457

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．007

1671-1556(2016)05-0043-07

李長冬(1981—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土體穩(wěn)定性評價與地質(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:lichang-dong2004@163．com

2016-05-31

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項目(41472261);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(騰飛計劃)(CUG150621)

宋英杰(1993—)，男，本科生，主要研究方向為邊坡防治。E-mail:13071257196@163．com