基于ABAQUS的抗滑樁加固邊坡的數值模擬分析

曾 晉

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614000)

滑坡不僅會對農業生產、建筑物造成經濟損失，同時也會造成人員傷亡，因此對邊坡穩定性的研究一直受到工程和學術界的廣泛關注。目前，主要通過排水措施、削坡減載，填土、錨桿支護、支擋結構、抗滑樁等方式對邊坡進行加固分析。經過長時間的研究和論證，發現抗滑樁對邊坡進行加固具有較大的優勢，但是目前對于抗滑樁加固邊坡的研究剛剛起步，并且各個學者研究的結果也不盡相同。因此，本文基于ABAQUS軟件采用強度折減法對抗滑樁加固邊坡進行模擬分析，研究樁位、樁間距與樁徑比、樁長等因素對邊坡安全系數以及邊坡失穩時滑裂面出現位置的影響。

1 邊坡土體的數值模型理論分析

本文基于強度折減法和極限平衡方法分析土質邊坡，通過有限元軟件ABAQUS進行邊坡的穩定性分析，利用ABAQUS提供的彈塑性理論模型和屈服準則判斷不同屈服準則下的安全系數。數值計算方法可以分析不同影響因素對邊坡穩定性的影響，不僅可以定性研究邊坡穩定性問題，也能夠進行一定的定量分析。隨著計算機技術的快速發展，采用數值分析方法對邊坡穩定問題進行研究也有了長足的進步。見圖1。

圖1 有效莫爾應力圓

ABAQUS提供了多種土體本構模型，其中摩爾-庫倫本構模型主要考慮不光滑小表面的情況，較為真實反映了土體的應力-應變的特點。通過大量的試驗研究表明，圖1為可以用有效應力表示土體破壞的莫爾應力圓，莫爾圓公切線為一條直線，這條直線的公切線被稱為莫爾-庫倫破壞準則，其表達式如下：

根據圖1中幾何關系，得到如下式：

上式中的莫爾-庫倫破壞準則在M-C模型中用作屈服函數，該函數為一個不規則的六凌錐，見圖2。

圖2 M-C屈服面

有效主應力通過不變量表示如下：

2 數值模型

根據工程實例，對均質黏性土邊坡進行幾何模型建立，根據試驗和規范得到土體的計算參數見表1。

表1 土體參數表

數值計算模型見圖3。模型尺寸為：邊坡的前緣長和高度分別為L1=30 m，H1=42 m；邊坡的坡體在水平投影長度L2=24 m,坡體后緣長度為L3=45 m，邊坡前后、左右4個面進行法向位移約束，底面進行3個方向的全約束，土體選用理想彈塑性本構模型進行分析。

圖3 邊坡土體的計算模型

3 抗滑樁數值模擬結果分析

3.1 最優樁位和合理樁間距的確定

由于邊坡加固的復雜性，運用抗滑樁對邊坡進行加固，加固的最優位置以及合理間距具有較大的差異。不同學者的研究具有不同的結果，還未達到統一的判斷標準，因此對抗滑樁的加固位置以及合理間距進行研究具有重要的意義。通過控制樁間距S與樁阻滑邊B的比值分別為1、2、3、4、5和6來改變抗滑樁在坡體中的位置，采用ABAQUS軟件的強度折減方法，自動搜索邊坡的安全系數，得到邊坡的整體安全系數，見圖4。

圖4不同影響因素與安全系數的關系

由圖4可知，當樁位位于邊坡中部往下位置時，安全系數迅速增加，這主要是抗滑樁的加固起到了一定的作用。通過對圖4曲線進行擬合，得到二次曲線方程，進一步探究最大安全系數的具體位置。見表2。

表2 不同S/B下最大安全系數表

根據以上擬合分析可知，當S/B=1～4時，邊坡的最大安全系數接近坡中；隨著S/B的減小，這個現象越明顯。隨著S/B的增大，邊坡的安全系數逐漸降低，邊坡樁的最大安全系數位置向下移動；當S/B增大到一定程度時，近似認為邊坡處于無樁加固狀態，此時邊坡及其不穩定，極易出現失穩等情況。不論加固樁處于什么位置時，安全系數隨樁間距和S/B的增大而減小，現取S/B=2不同樁位出現塑性變形圖進行分析。見圖5～圖6。

圖5為抗滑樁位于斜坡下半部分時的塑性變形圖，圖6為抗滑樁位于斜坡上半部分時的塑性變形圖。由圖5～圖6可知，當抗滑樁位于Lx/L=0～1時，坡體出現臨界的滑裂面，以抗滑樁為界將坡體分為兩個部分，當抗滑樁與處于中間位置時，邊坡產生的塑性變形最小，此時抗滑樁的阻滑效果更為有效。當抗滑樁位于坡腳或者坡頂附近時，邊坡的塑性區滑裂面基本上呈一條圓弧形曲面分布，此時抗滑樁的阻滑效果與無抗滑樁的邊坡非常接近。因此，在僅僅考慮邊坡的安全性，抗滑樁的最優加固位置Lx/L=0.4左右，此時的邊坡的加固效果最佳。但在工程中不僅要考慮到安全性，同時也要考慮到經濟、資源配置等因素，通過結合以上分析，最優加固位置Lx/L=0.2～0.4處，綜合邊坡加固效果最佳。

圖5 抗滑樁位于斜坡下半部分的塑性變形圖

圖6 抗滑樁位于斜坡上半部分的塑性變形圖

3.2 不同樁長結果

根據3.1節的分析可知，抗滑樁位于邊坡的最優位置Lx/L=0.4處，保證樁的橫截面積和樁間距相同的情況下，改變抗滑樁的長度分別為6、10、14、16、18、22和26 m共6組進行對比分析，樁長對邊坡安全系數及塑性變形滑裂面的影響見圖7。

圖7 加固樁長與邊坡安全系數的變化關系

由圖8可知，抗滑樁長度Lp<16 m時，邊坡塑性滑裂面均完全包裹住抗滑樁，此時抗滑樁對邊坡的抗滑效果非常差，邊坡的抗滑性能相當于無抗滑樁加固狀態下的邊坡的抗滑性能，這一點從邊坡的安全系數就可以看出，抗滑樁長度小于16 m時的安全系數跟無抗滑樁加固的邊坡的安全系數較為接近。當抗滑樁長度在16～18 m時，邊坡的塑性滑裂面恰好沒有通過抗滑樁底，并且滑移線沒有向下移動，其安全系數速速上升，此時抗滑樁的抵抗滑移效果非常明顯，抗滑樁樁底位于滑移線以下，因此此時抗滑樁具有一定的錨固作用。

由圖7可知抗滑樁的長度與邊坡安全系數呈現分段線性關系，當抗滑樁長度在0～16 m時，線性增長速度極小；當抗滑樁長度在16～18 m時，安全系數發生突變；抗滑樁長度在18～30 m時，安全系數進一步增大。但是相對16～18 m時較緩一些。

圖8 不同抗滑樁長度下斜坡上半部分的塑性變形圖

由圖7和圖8可知，抗滑樁長度在16～26 m時，邊坡的安全系數增長明顯，隨著長度的繼續增加，邊坡的安全系數增加非常緩慢。這主要是抗滑樁的長度達到一定程度之后它的抗滑能力達到最大，隨著抗滑樁長度的繼續增大，土體的抗剪強度降低，抗滑樁的側壓力會增大，因此樁體可能發生破壞，進而導致邊坡的安全系數增加并不明顯。通過以上分析可知，抗滑樁長度在22～26 m較為合適，抗滑樁的錨固深度為4/11～5/13樁長較為合理。

4 結 論

本文通過ABAQUS數值計算對抗滑樁加固邊坡的最優樁位、樁間距和樁長進行了模擬分析，結論如下：

1) 當樁間距S與樁阻滑邊B比值為1～4時，邊坡的最大安全系數接近坡中；隨著S/B的增大，邊坡的安全系數逐漸降低，邊坡樁的最大安全系數位置向下移動；當S/B增大到一定程度時，近似認為邊坡處于無樁加固狀態，此時邊坡及其不穩定，極易出現失穩等情況，不論加固樁處于什么位置時，安全系數隨樁間距和S/B的增大而減小。

2) 在僅僅考慮邊坡的安全性，抗滑樁的最優加固位置Lx/L=0.4左右，此時的邊坡的加固效果最佳。但是在工程中不僅要考慮到安全性，同時也要考慮到經濟、資源配置等因素，通過結合以上分析，最優加固位置Lx/L=0.2～0.4處，綜合邊坡加固效果最佳。

3) 當抗滑樁長度在0～16 m時，線性增長速度極小；當抗滑樁長度在16～18 m時，安全系數發生突變；抗滑樁長度在18～30 m時，安全系數進一步增大，但是相對16～18 m時較緩一些。抗滑樁長度在22～26 m較為合適，抗滑樁的錨固深度為4/11～5/13樁長較為合理。