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【摘要】针对抗滑桩在滑坡加固中的应用问题，介绍了抗滑桩加固设计原理，阐述了抗滑桩加固在滑坡治理中起到的有效作用；结合某蠕滑边坡的工程实际，进行详细的抗滑桩加固设计，并利用Midas/GTS软件对加固前后边坡的稳定性进行数值模拟，对比分析了加固前后边坡的应变和位移情况，结果显示加固后边坡的稳定性得到显著的提高，验证了抗滑桩加固边坡的有效性。
【关键词】蠕滑边坡；抗滑桩；加固设计；数值模拟
Creep Slope Anti Slide Pile Reinforce Design Principles and Applications
Li Jin-dong,Tian Hong-ying
(School of Civil Engineering，Qingdao Technological UniversityQingdaoShandong266033)
【Abstract】Needle anti-slide pile in landslide reinforcement application, first introduced the anti-slide pile reinforcement principle of design, elaborated the stabilizing piles in landslide treatment plays an effective role ; combining a creep slope engineering, detailed anti-slide pile reinforcement design, and uses the Midas / GTS software for reinforcement before and after the slope stability numerical simulation, comparative analysis of the reinforced slope before and after the strain and displacement, the results showed after reinforcement of slope stability has been greatly improved, verify the anti-sliding pile reinforcing slope effectiveness.
【Key words】Creep slope;Anti slide pile;Reinforcement design;Numerical simulation
在边坡工程中，滑坡灾害是最为普遍的一种自然灾害。随着我国经济的发展，国家对基础工程投资的不断增加，形成了许多人工边坡，再加上原有的自然边坡，滑坡的发生更加频繁，造成的危害日益严重，因此，对滑坡的治理显得尤为重要。
图1蠕滑边坡示意图
图2蠕滑区域边坡破坏图
1. 工程概况
某蠕滑边坡位于山西省平朔矿区安太堡露天矿西北部。矿区内山丘连绵，沟壑纵横，植被稀少，地形大致为中部低，两边高，地势由矿坑底部向四周自下而上呈台阶状分布。由于该边坡长期自然暴露，受风吹、日晒、雨水冲刷等自然力的作用，造成坡体表层岩体结构松散、强度降低，随时存在局部边坡塌滑的可能性，严重威胁矿区的安全生产。
2. 蠕滑边坡破坏成因分析
该蠕滑边坡主要位于黄土层，表层为拉裂变形带。该带可见的大量拉裂缝，是地表水集中渗入通道。地表裂缝分布范围基本上与地下采空区相对应，多沿采区周边地带成群分布。地下采空引起上覆岩体冒落、挤压、张裂变形，改变了坡体的水文地质环境，使岩体的透水性增加，地下水循环加剧，岩体进一步软化，极易发生滑塌。上部的岩质边坡较陡，其表层风化十分严重，局部碎石土已发生滑移，并存在较大楔形体破坏的可能性。同时，边坡地层内存在一层高塑性红粘土层，由于其孔隙比大，具有明显的收缩性，但压缩性低，在降雨的作用下，该层粘土极易成为水流聚集地，形成隔水层，致使边坡沿着该层红粘土发生缓慢滑动，从而对边坡的稳定性造成了严重的影响。（蠕滑边坡示意图见图1，蠕滑区域边坡破坏图见图2）。
3. 抗滑桩设计计算
3.1抗滑桩的计算原理［1～3］。
在我国抗滑桩的工程设计中，抗滑桩的计算方法通常采用悬臂桩法，即将滑面以上抗滑桩受荷段作为悬臂构件进行计算，滑动面以上的下滑力和桩前剩余下滑力均视为外力，按一般的力学方法，计算桩身的剪力值和弯矩值。滑动面以下嵌固段桩身，则把桩周岩土视为弹性介质计算侧向应力和土的抗力，从而计算桩的内力。
在滑坡推力作用下，桩身将绕滑面以下 y0处的转动中心旋转一个φ 角，桩沿任意深度的转角相同，水平位移不同，由y0 、φ 所确定的岩土体侧应力计算公式，建立滑面处桩身的静力平衡平衡方程，通过数值求解可计算出y0 、φ 的表达式如下：
式中：M0 ， Q0分别为滑面处桩身截面上的弯矩，剪力。Bp ，d 分别为桩截面垂直滑动方向与顺滑动方向的宽度。y 为距滑动面的深度。 h为嵌固端桩长。C0 ，m 分别为地基系数，比例系数。
3.2滑坡推力的确定。
根据地质勘查资料，选取合理的计算参数如下：滑体比重为20KN/m3 ，粘聚力c=27.1KPa ，内摩擦角φ=14.3° ，安全系数K=1.15 。
抗滑桩内力计算［4～5］。
根据选取的计算参数，利用传递系数法计算滑坡设桩处滑坡推力为2094KN/m ，桩间距为6m ，则每根桩所承受的推力为F=2094×6=112564KN 。桩总长18m ，滑面以上桩长12m ，锚固段桩长 6m。
由地层岩性可知，滑坡下覆基巖属于风化破碎成土状的软质岩层。判别抗滑桩的计算方法可选用M法，计算得出： αh=0.173×6=1.038＜2.5 ，则应按刚性桩计算其内力。滑面以上桩体视为悬臂段，按结构力学方法进行计算。滑面以下锚固段桩体按上节公式计算得出，抗滑桩的弯矩、剪力图如下图3、图4所示。
图3剪力图
图4弯矩图
3.3抗滑桩配筋计算。
抗滑桩的配筋计算按受弯构件考虑，由图3、图4可知桩身剪力和弯矩的最大值分别为Vmax=17977KN
，Mmax=79480.5KN.m 。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）进行配筋计算。采用的混凝土等级为C30，纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB225级钢筋，抗滑桩的截面尺寸为b×h=2.5m×3.5m， 纵向受力钢筋选用74根直径为40mm 的HRB335级钢筋，箍筋选用10肢直径为14mm的HPB225级钢筋，箍筋间距为100mm 。
4. 加固前后边坡稳定性数值模拟分析
为了更为清楚的分析抗滑桩加固作用的效果，笔者通过建立二维地质模型，应用岩土工程数值模拟软件MIDAS/GTS进行模拟分析。着重对加固前后边坡的位移、应变进行了对比分析。
4.1二维地质模型的建立。
根据露天矿蠕滑边坡的地质勘察资料，结合地表的地形地貌特征，选取能够合理反映边坡破坏趋势的关键岩土层，采用合理的物理力学参数，简化后的二维地质模型如图5所示。地层岩性分布由上至下依次为填土、粉土、红粘土、下石盒子组上段泥岩、下石盒子组上段砂岩、下石盒子组下段泥岩、山西组上段砂岩。
图5二维地质模型图
图6二维地质模型网格划分图
图7设桩前边坡位移云图
整个模型长280m，高160m，共划分1016个单元，3183个节点，模型底面固定，两侧限制水平移动，模型的网格划分如图6所示。
4.2抗滑桩加固前后边坡稳定性对比分析。
在边坡前缘设置抗滑桩后，通过数值模拟对比设桩前后蠕滑边坡位移场和剪切应变云图的不同变化情况，分析蠕滑边坡的变形机制，验证抗滑桩的加固效果。
由图7可知，设桩前边坡发生滑动的区域主要集中在粉土层和红粘土层，滑动面处于红粘土层内，边坡的最大位移区域位于坡顶处；由图8可知，设桩后边坡发生滑动的主要区域虽然仍集中在粉土层和红粘土层，但设桩区域位移变化趋势显著减弱，最大位移区域明显减小。
图8设桩后边坡位移云图
图9设桩前边坡剪切应变云图
由图9可知，边坡剪切应变最显著的区域主要分布于红粘土层，滑动面贯穿红粘土层并向上部粉土层扩展。由图10可知，设桩后由于抗滑桩的作用阻断了滑动面贯穿红粘土层，致使剪切应变在桩后集中，说明抗滑桩对剪切应变的发展起到了很好的抑制作用，验证了抗滑桩加固效果的有效性。
5. 结论
通过对比设桩前后边坡的位移和剪切应变云图，可以更为直观的分析边坡发生滑动破坏的变化趋势，预见滑坡的效果。设置抗滑桩后边坡的位移、剪切应变发生明显的变化，设桩前边坡的安全系数
图10设桩后边坡剪切应变云图
为1.08，边坡处于临界状态。设桩后边坡的安全系数提高到1.19，边坡处于稳定状态。抗滑桩加固后边坡的稳定性得到顯著的提高，验证了抗滑桩加固边坡的有效性。
参考文献
［1］黄晓航，赵明堂．抗滑桩的设计与计算原理［J］．中国水运，2008，8(3)：161～162.
HUANG Xiao-hang，ZHAO Ming-tang．Anti Slide Pile Design and Calculation Principle［J］．China Water Transport,2008,8(3)：161～162.
［2］沈军．抗滑桩设计与滑坡治理有限元法分析［D］．太原：太原理工大学，2007.
SHEN Jun．Anti Slide Pile Design and Finite Element Analysis of Landslide［D］．Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2007.
［3］王恭先，徐峻龄，刘光代，李传珠．滑坡学与滑坡防治技术MJ］．北京：中国铁道出版社，2007．
WANG Gong-xian，XU Jun-ling，LIU Guang-dai，LI Chuan zhu．Landslide and Landslide Control Technique［M］．Beijing：China Railway Press，2007.
［4］戴自航，沈蒲生．抗滑桩内力计算悬臂桩法的改进［J］．湖南大学学报，2003，30(3)：81～85.
DAI Zi-hang，SHEN Pu-sheng．Anti Slide Pile Internal Force Calculation of Cantilever Pile Method Improvement［J］．Journal of Hunan University，2003，30(3)：81～85.
［5］邹广电，陈生水．抗滑桩工程的整体设计方法及其优化数值模型［J］．岩土工程学报，2003，25(1)：11～17.
ZOU Guang-dian，CHEN Sheng-shui．Anti Slide Pile Engineering Design Method and the Optimized Numerical Model［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(1)：11～17.
［文章编号］1006-7619（2011）12-11-232
［作者简介］ 李晋东 （1985－），男，籍贯：黑龙江嫩江县人，学历：硕士，研究方向为边坡稳定性分析。
【关键词】蠕滑边坡；抗滑桩；加固设计；数值模拟
Creep Slope Anti Slide Pile Reinforce Design Principles and Applications
Li Jin-dong,Tian Hong-ying
(School of Civil Engineering，Qingdao Technological UniversityQingdaoShandong266033)
【Abstract】Needle anti-slide pile in landslide reinforcement application, first introduced the anti-slide pile reinforcement principle of design, elaborated the stabilizing piles in landslide treatment plays an effective role ; combining a creep slope engineering, detailed anti-slide pile reinforcement design, and uses the Midas / GTS software for reinforcement before and after the slope stability numerical simulation, comparative analysis of the reinforced slope before and after the strain and displacement, the results showed after reinforcement of slope stability has been greatly improved, verify the anti-sliding pile reinforcing slope effectiveness.
【Key words】Creep slope;Anti slide pile;Reinforcement design;Numerical simulation
在边坡工程中，滑坡灾害是最为普遍的一种自然灾害。随着我国经济的发展，国家对基础工程投资的不断增加，形成了许多人工边坡，再加上原有的自然边坡，滑坡的发生更加频繁，造成的危害日益严重，因此，对滑坡的治理显得尤为重要。
图1蠕滑边坡示意图
图2蠕滑区域边坡破坏图
1. 工程概况
某蠕滑边坡位于山西省平朔矿区安太堡露天矿西北部。矿区内山丘连绵，沟壑纵横，植被稀少，地形大致为中部低，两边高，地势由矿坑底部向四周自下而上呈台阶状分布。由于该边坡长期自然暴露，受风吹、日晒、雨水冲刷等自然力的作用，造成坡体表层岩体结构松散、强度降低，随时存在局部边坡塌滑的可能性，严重威胁矿区的安全生产。
2. 蠕滑边坡破坏成因分析
该蠕滑边坡主要位于黄土层，表层为拉裂变形带。该带可见的大量拉裂缝，是地表水集中渗入通道。地表裂缝分布范围基本上与地下采空区相对应，多沿采区周边地带成群分布。地下采空引起上覆岩体冒落、挤压、张裂变形，改变了坡体的水文地质环境，使岩体的透水性增加，地下水循环加剧，岩体进一步软化，极易发生滑塌。上部的岩质边坡较陡，其表层风化十分严重，局部碎石土已发生滑移，并存在较大楔形体破坏的可能性。同时，边坡地层内存在一层高塑性红粘土层，由于其孔隙比大，具有明显的收缩性，但压缩性低，在降雨的作用下，该层粘土极易成为水流聚集地，形成隔水层，致使边坡沿着该层红粘土发生缓慢滑动，从而对边坡的稳定性造成了严重的影响。（蠕滑边坡示意图见图1，蠕滑区域边坡破坏图见图2）。
3. 抗滑桩设计计算
3.1抗滑桩的计算原理［1～3］。
在我国抗滑桩的工程设计中，抗滑桩的计算方法通常采用悬臂桩法，即将滑面以上抗滑桩受荷段作为悬臂构件进行计算，滑动面以上的下滑力和桩前剩余下滑力均视为外力，按一般的力学方法，计算桩身的剪力值和弯矩值。滑动面以下嵌固段桩身，则把桩周岩土视为弹性介质计算侧向应力和土的抗力，从而计算桩的内力。
在滑坡推力作用下，桩身将绕滑面以下 y0处的转动中心旋转一个φ 角，桩沿任意深度的转角相同，水平位移不同，由y0 、φ 所确定的岩土体侧应力计算公式，建立滑面处桩身的静力平衡平衡方程，通过数值求解可计算出y0 、φ 的表达式如下：
式中：M0 ， Q0分别为滑面处桩身截面上的弯矩，剪力。Bp ，d 分别为桩截面垂直滑动方向与顺滑动方向的宽度。y 为距滑动面的深度。 h为嵌固端桩长。C0 ，m 分别为地基系数，比例系数。
3.2滑坡推力的确定。
根据地质勘查资料，选取合理的计算参数如下：滑体比重为20KN/m3 ，粘聚力c=27.1KPa ，内摩擦角φ=14.3° ，安全系数K=1.15 。
抗滑桩内力计算［4～5］。
根据选取的计算参数，利用传递系数法计算滑坡设桩处滑坡推力为2094KN/m ，桩间距为6m ，则每根桩所承受的推力为F=2094×6=112564KN 。桩总长18m ，滑面以上桩长12m ，锚固段桩长 6m。
由地层岩性可知，滑坡下覆基巖属于风化破碎成土状的软质岩层。判别抗滑桩的计算方法可选用M法，计算得出： αh=0.173×6=1.038＜2.5 ，则应按刚性桩计算其内力。滑面以上桩体视为悬臂段，按结构力学方法进行计算。滑面以下锚固段桩体按上节公式计算得出，抗滑桩的弯矩、剪力图如下图3、图4所示。
图3剪力图
图4弯矩图
3.3抗滑桩配筋计算。
抗滑桩的配筋计算按受弯构件考虑，由图3、图4可知桩身剪力和弯矩的最大值分别为Vmax=17977KN
，Mmax=79480.5KN.m 。根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）进行配筋计算。采用的混凝土等级为C30，纵向受力钢筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB225级钢筋，抗滑桩的截面尺寸为b×h=2.5m×3.5m， 纵向受力钢筋选用74根直径为40mm 的HRB335级钢筋，箍筋选用10肢直径为14mm的HPB225级钢筋，箍筋间距为100mm 。
4. 加固前后边坡稳定性数值模拟分析
为了更为清楚的分析抗滑桩加固作用的效果，笔者通过建立二维地质模型，应用岩土工程数值模拟软件MIDAS/GTS进行模拟分析。着重对加固前后边坡的位移、应变进行了对比分析。
4.1二维地质模型的建立。
根据露天矿蠕滑边坡的地质勘察资料，结合地表的地形地貌特征，选取能够合理反映边坡破坏趋势的关键岩土层，采用合理的物理力学参数，简化后的二维地质模型如图5所示。地层岩性分布由上至下依次为填土、粉土、红粘土、下石盒子组上段泥岩、下石盒子组上段砂岩、下石盒子组下段泥岩、山西组上段砂岩。
图5二维地质模型图
图6二维地质模型网格划分图
图7设桩前边坡位移云图
整个模型长280m，高160m，共划分1016个单元，3183个节点，模型底面固定，两侧限制水平移动，模型的网格划分如图6所示。
4.2抗滑桩加固前后边坡稳定性对比分析。
在边坡前缘设置抗滑桩后，通过数值模拟对比设桩前后蠕滑边坡位移场和剪切应变云图的不同变化情况，分析蠕滑边坡的变形机制，验证抗滑桩的加固效果。
由图7可知，设桩前边坡发生滑动的区域主要集中在粉土层和红粘土层，滑动面处于红粘土层内，边坡的最大位移区域位于坡顶处；由图8可知，设桩后边坡发生滑动的主要区域虽然仍集中在粉土层和红粘土层，但设桩区域位移变化趋势显著减弱，最大位移区域明显减小。
图8设桩后边坡位移云图
图9设桩前边坡剪切应变云图
由图9可知，边坡剪切应变最显著的区域主要分布于红粘土层，滑动面贯穿红粘土层并向上部粉土层扩展。由图10可知，设桩后由于抗滑桩的作用阻断了滑动面贯穿红粘土层，致使剪切应变在桩后集中，说明抗滑桩对剪切应变的发展起到了很好的抑制作用，验证了抗滑桩加固效果的有效性。
5. 结论
通过对比设桩前后边坡的位移和剪切应变云图，可以更为直观的分析边坡发生滑动破坏的变化趋势，预见滑坡的效果。设置抗滑桩后边坡的位移、剪切应变发生明显的变化，设桩前边坡的安全系数
图10设桩后边坡剪切应变云图
为1.08，边坡处于临界状态。设桩后边坡的安全系数提高到1.19，边坡处于稳定状态。抗滑桩加固后边坡的稳定性得到顯著的提高，验证了抗滑桩加固边坡的有效性。
参考文献
［1］黄晓航，赵明堂．抗滑桩的设计与计算原理［J］．中国水运，2008，8(3)：161～162.
HUANG Xiao-hang，ZHAO Ming-tang．Anti Slide Pile Design and Calculation Principle［J］．China Water Transport,2008,8(3)：161～162.
［2］沈军．抗滑桩设计与滑坡治理有限元法分析［D］．太原：太原理工大学，2007.
SHEN Jun．Anti Slide Pile Design and Finite Element Analysis of Landslide［D］．Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2007.
［3］王恭先，徐峻龄，刘光代，李传珠．滑坡学与滑坡防治技术MJ］．北京：中国铁道出版社，2007．
WANG Gong-xian，XU Jun-ling，LIU Guang-dai，LI Chuan zhu．Landslide and Landslide Control Technique［M］．Beijing：China Railway Press，2007.
［4］戴自航，沈蒲生．抗滑桩内力计算悬臂桩法的改进［J］．湖南大学学报，2003，30(3)：81～85.
DAI Zi-hang，SHEN Pu-sheng．Anti Slide Pile Internal Force Calculation of Cantilever Pile Method Improvement［J］．Journal of Hunan University，2003，30(3)：81～85.
［5］邹广电，陈生水．抗滑桩工程的整体设计方法及其优化数值模型［J］．岩土工程学报，2003，25(1)：11～17.
ZOU Guang-dian，CHEN Sheng-shui．Anti Slide Pile Engineering Design Method and the Optimized Numerical Model［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(1)：11～17.
［文章编号］1006-7619（2011）12-11-232
［作者简介］ 李晋东 （1985－），男，籍贯：黑龙江嫩江县人，学历：硕士，研究方向为边坡稳定性分析。