基于有限元強(qiáng)度折減法的抗滑樁設(shè)計

付君宜++楊光玉

摘 要：有限元強(qiáng)度折減法因其具有和極限平衡法相一致的安全系數(shù)定義而廣泛用于巖土工程中。目前Plaxis中的強(qiáng)度折減計算采用的弧長法可以認(rèn)為精確捕捉到結(jié)構(gòu)破壞時的極限狀態(tài)，這里以抗滑樁設(shè)計為例，借助Plaxis介紹有限元強(qiáng)度折減法在抗滑樁設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：有限元強(qiáng)度折減法；抗滑樁；Plaxis

0 引言

邊坡穩(wěn)定性分析及治理是巖土工程中的經(jīng)典問題[1]，隨著我國西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，邊坡問題越來越受到關(guān)注。邊坡常用治理方法包括坡面掛網(wǎng)噴射混凝土面層，格構(gòu)錨索支護(hù)，擋墻支護(hù)，抗滑樁支護(hù)等，其中抗滑樁具有造價低廉，施工便捷，抗滑能力較好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于實際工程中[2]。

1 有限元強(qiáng)度折減法

對比極限平衡法，有限元強(qiáng)度折減法國內(nèi)起步較晚，宋二祥1997年[3]首次討論并發(fā)展了用于求解土工結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的有限元強(qiáng)度折減法。該方法適用于各種復(fù)雜土層及水位條件，計算簡便易行，速度快穩(wěn)定性好，因此被國內(nèi)學(xué)者廣泛采用。傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法極限平衡法需要事先假定滑裂面，通過迭代得到最危險滑裂面；而有限元強(qiáng)度折減法不需要假定滑裂面，也不需要迭代計算，通過折減土體內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ，最終捕捉到邊坡破壞時的極限強(qiáng)度值，其對安全系數(shù)的定義方式與極限平衡法相一致，這也使得該方法可以直接用于實際工程設(shè)計[4]。

2 計算分析

2.1 原始邊坡穩(wěn)定性分析

某邊坡高20m，寬度28m，表層覆蓋有碎石土，下部為中風(fēng)化灰?guī)r，利用Plaxis2016建立有限元模型圖1a所示，碎石土采用土體硬化模型，γ=22kN/m3，c=5kN/m3，φ=35°；灰?guī)r采用摩爾庫倫模型，γ=25kN/m3，c=1410kN/m3，φ=35°。

對邊坡進(jìn)行有限元強(qiáng)度折減分析，如圖1b所示，潛在滑裂面基本沿著碎石土與灰?guī)r交界面滑動，此時安全系數(shù)為1.149，無法滿足規(guī)范要求。

2.2 抗滑樁邊坡穩(wěn)定性分析

將邊坡坡腳部分土體挖去形成路基，路基旁設(shè)置抗滑樁如圖2a所示。抗滑樁采用Plaxis中的Embedded beam row結(jié)構(gòu)單元來模擬，為邊長2m的正方形截面方樁，間距為5m，彈性模量為E=30GPa。

對模型進(jìn)行強(qiáng)度折減計算，計算所得滑裂面如圖2b所示，趨于破壞時潛在滑裂面較為設(shè)置抗滑樁時位置靠上，抗滑樁附近的支護(hù)效果良好，此時安全系數(shù)1.366滿足規(guī)范要求。

抗滑樁內(nèi)力如圖3所示。

3 結(jié)論

有限元法在處理巖土工程問題時具有先天不足，相較于結(jié)構(gòu)工程的人工材料，巖土材料的各向異性使得有限元計算結(jié)果不一定很準(zhǔn)確，但是有限元強(qiáng)度折減法具有和極限平衡法相一致的安全系數(shù)定義方式，其在處理復(fù)雜地質(zhì)條件問題時具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，未來會被更多的巖土工程人員所接受。

基金項目：貴州省科技計劃項目（黔科合SY字（2014）3086）；貴州省科技計劃項目（黔科合機(jī)字[2011]4002號）