門架式雙排抗滑樁承載變形特性影響因素分析★

朱 蒙 蒙

(三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

1 概述

門架式雙排抗滑樁在邊坡防護領域正逐步推廣應用，是一種極具潛力的結構形式[1,2]。是一種空間組合類支護結構，這種結構沒有內支撐(見圖1)，通過發揮空間組合樁的整體剛度和空間效應，與樁間土協同工作來抵抗滑坡體中的剩余下滑力，以控制滑坡體變形。目前，對門架式雙排樁承載變形影響因素的研究還比較少。申永江等[8]提出一種計算前后排抗滑樁內力的計算方法。張永杰[9]提出了h型抗滑樁簡化計算方法，并對其承載變形的影響因素進行了分析。周翠英等[10]建立出了求解門架式雙排抗滑樁內力的力學模型并分析了結構設計理論。

本文在現有研究的基礎上基于數值仿真，結合萬福垴后山滑坡防治工程，利用ANSYS有限元軟件系統分析設計參數對雙排樁承載變形的影響規律。以確定門架式雙排樁在滑坡治理工程應用中排間距、錨固深度、連梁剛度等設計參數的最優取值，為類似的滑坡治理提供借鑒。

2 工程實例與建模

2.1 工程概況

萬福垴后山滑坡位于宜昌高新區白洋工業園區紫云鐵路雨水箱涵K0+226.1～K0+369.1段，滑坡體前緣寬度約為40 m，后緣寬度約為23 m。變形體長度約40 m，變形面積約1 440 m2，變形體平均厚度約4.0 m，現變形方量約5 760 m3，屬小型滑坡體。該滑坡體地表可見大量近似平行拉裂縫，其中在居民樓前一條裂縫延伸長度約61 m。

滑坡采用門架式雙排抗滑樁進行治理，設計尺寸為：前排樁樁長17 m～19 m，后排樁樁長18 m～21 m，前后排樁直徑D=2 m，連梁尺寸1 m×2 m；前后排樁間距4 m，樁基列距4 m～7.5 m；抗滑樁材料采用HRB400鋼筋，C30混凝土。

2.2 仿真分析模型

在建立有限元模型時，把前后排抗滑樁看做整體置于滑坡體中，用Plane42單元模擬樁，樁、土接觸面和滑帶接觸面采用目標單元為Targe169，接觸單元為Conta172。滑體、滑床以及滑動面均遵循德魯克—普拉格(Drucker-Prager)準則處理，但不同土體其粘滯系數C和內摩擦角φ不同。

在滑坡體的前緣布設1號、2號上下兩個觀測點，滑坡體的中部和后緣分別布設3號、4號觀測點，如圖2所示。通過創建ANSYS的路徑操作，將滑面以上樁的位移結果映射到路徑上，提取出前后樁的樁身應力和水平位移數據。

3 仿真結果分析

3.1 錨固深度對承載變形的影響

抗滑樁的支擋作用主要依靠滑面以下滑床基巖對抗滑樁的錨固作用，因此抗滑樁錨固段的長度直接影響到邊坡的加固效果。錨固段太短，受到滑坡較大的剩余下滑力時容易整體失穩進而邊坡加固失效。錨固段太長，不但增加工程費用和工期，也加大了施工難度。為探究合理的錨固深度，分別用錨固深度為6 m,8 m,10 m,12 m(即樁長h的1/3～2/3)的抗滑樁進行數值仿真，進而分析邊坡位移、樁身位移與應力狀況，以確定合理的錨固深度。

由圖3可知，錨固深度由6 m增至10 m時，滑坡體位移下降較快，四個標記點1號、2號、3號、4號的位移分別減小5.15 mm，4.09 mm，4.74 mm，3.35 mm，四個點處位移平均減小17.25%。錨固深度由10 m增至12 m時，四個標記點位移分別減小0.61 mm，0.31 mm，0.33 mm，0.22 mm。四個點處位移平均減小僅1.35%。

圖4a)，圖4b)是錨固深度為8 m時前后排樁在滑動面以上的位移和應力云圖，從圖中可知，抗滑樁的最大位移在樁頂，滑動面以上的樁身應力集中在轉角處。由圖4c)可知，前排樁的位移要略大于后排樁的位移，這可能是由于前排樁在滑動面以上的懸臂部分要更大一些，在樁頂受力相等時其撓度要更大一些。隨著樁的錨固深度增加，前后排樁位移先減小到一定值后基本保持不變。當錨固深度由6 m增大至10 m時，前后排樁樁頂水平位移分別減小了12.4%，11.2%，當錨固深度由10 m增大至12 m時，前后排樁樁頂水平位移分別減小1.2%，0.9%。另外，錨固深度的增加樁身的最大應力會有所增加，達到一定值后保持不變。這是由于樁身的整體長度增加引起的。因此，在設計門架式雙排抗滑樁時，錨固深度宜取樁長的1/2。

3.2 連梁剛度對承載變形的影響

對于門架式雙排抗滑樁，連梁使前后排樁構成統一的整體，前后排間主要依靠連梁和樁間土進行力的傳遞。由于前后排樁通過連梁合理分配滑坡剩余下滑力，所以雙排樁才抵抗力大、樁身位移小。因此有必要對連梁剛度進行計算分析，以確定連梁的設計參數。建立連梁剛度分別為0.5EI，1.0EI，1.5EI，2.0EI(EI為前后排樁的剛度)的抗滑樁模型，仿真計算連梁剛度對滑坡體位移、抗滑樁位移應力的影響規律，以此得到合理的連梁剛度范圍。

圖5結果表明，隨著連梁剛度的不斷增加，坡體位移量逐漸減小，但減小的幅度也越來越小。當連梁剛度由0.5EI增至1.0EI時，滑坡體位移下降較快，四個標記點1號、2號、3號、4號的位移分別減小3.25 mm,2.6 mm,3.1 mm,2.2 mm，四個點處位移平均減小11.45%。錨固深度由1.0EI增至2.0EI時，四個標記點位移分別減小1.45 mm，0.75 mm，1.34 mm，0.82 mm。四個點處位移平均減小僅3.39%。連梁剛度由0.5EI增加至1.0EI時，坡體位移減小較多，邊坡加固效果明顯，這說明連梁剛度在0.5EI～1.0EI內變化時，通過增加連梁剛度來阻止滑坡體變形是較有效的。

根據圖6可知，前后排樁的位移變化趨勢基本相同，隨著連梁剛度的增大，樁體的位移不斷減小，但減小的幅度也越來越小。其中連梁剛度由0.5EI增大到2.0EI時，前后排樁樁頂水平位移分別減小了26.4%，27.5%，當錨固深度由1.0EI增大至2.0EI時，前后排樁樁頂水平位移分別減小11.2%，12.3%。另外，考慮到抗滑樁的構造，連梁寬度盡量等于樁基直徑，因此，在進行抗滑樁設計時，連梁剛度在1.0EI～1.5EI比較合適。

4 結語

本文利用ANSYS有限元軟件建立了萬福垴后山滑坡仿真模型，系統分析了門架式雙排樁前后排間距、錨固深度、連梁剛度等主要因素對抗滑樁承載性能的影響。根據分析結果主要結論如下：1)錨固深度太短不利于結構的安全，而太長又造成浪費。仿真結果表明，錨固深度超過樁長的1/2時，對樁頂和滑坡位移基本無影響。因此，在樁身長度設計時，錨固深度建議取1/2樁長；2)連梁剛度超過樁基剛度1.0倍時，對抗滑樁的承載性能影響較小。并考慮到經濟合理性及構造特性，連梁剛度宜為1.0倍的樁基剛度。