復(fù)雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護效果仿真分析

俞文虎，袁海江

(江陰市青陽水利農(nóng)機管理服務(wù)站，江蘇 無錫 214401)

抗滑樁是目前常用的邊坡加固措施之一[1]。它具有便于施工、工程量較少、投資費用較低等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用[2]。一般在邊坡滑動面的下方打入抗滑樁，其基本原理為依靠下部的側(cè)向阻力以平衡滑坡的下推力形成穩(wěn)定層，起到穩(wěn)定邊坡的作用[3]。

近年來，許多專家學(xué)者對抗滑樁在邊坡工程中的應(yīng)用進行了大量的研究，取得了豐碩的成果。在目前的抗滑樁設(shè)計中，抗滑樁主要布置在滑坡前緣[4- 5]。在實際工程中確定樁位依靠很強的經(jīng)驗，往往需要考慮安全、適用、經(jīng)濟等多方面因素。曾裕平等[6]采用彈性中心法求解，并發(fā)現(xiàn)了樁間距與土體黏聚力等參數(shù)相關(guān)。張顯書等[7]依托某具體邊坡工程開展計算，提出了一種充分考慮滑坡體滑坡厚度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、推力曲線等因素來確定抗滑樁樁位的方法。歐陽輝等[8]提出了一種抗滑樁優(yōu)化設(shè)計方法并結(jié)合工程實例運用，此方法驗證了優(yōu)化設(shè)計的可靠性；Zhang[9]基于有限元開展了抗滑樁樁位對土、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析。綜上所述，目前抗滑樁樁位確定方法主要為剩余推力法，該方法綜合考慮了地質(zhì)條件與施工條件。但對不同巖質(zhì)邊坡條件下方形抗滑樁樁間距的治理效果研究較少，由于邊坡巖體的復(fù)雜多變等不確定性，邊坡采用不同間距抗滑樁支護加固時，會產(chǎn)生不同的支護效果。

基于上述研究背景，本文以有限元法為基礎(chǔ)，采用樁單元模擬樁對復(fù)雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護效果進行仿真分析，通過比較分析不同加固位置、不同巖質(zhì)性質(zhì)下不同滑動面的加固效果，擬達到優(yōu)化抗滑樁設(shè)計的目的。仿真計算時首先對拱效應(yīng)進行研究，對樁間拱效應(yīng)的影響范圍不做討論，之后研究了樁間拱效應(yīng)的形成特點以及巖土體在樁間產(chǎn)生位移形成拱效應(yīng)的應(yīng)力及變形特點。

1 三維幾何計算模型

依托江蘇省某實際邊坡工程，建立5個工作平面，分別為+4、0、-4、-8、-10。抗滑樁為1m×1m的方樁，建立模型長30m、寬10m，斜坡坡高從16m遞減到4m。三維數(shù)值模擬中巖土層一共采用4個模型參數(shù)，為了定性地驗證樁間土拱效應(yīng)的產(chǎn)生，建立了如圖1所示的兩個三維對應(yīng)模型，兩模型計算參數(shù)一致，只是改變了樁的布置。

圖1(a)為樁間距為3m的三維模型圖：在坡體中部設(shè)置一排抗滑樁，樁中心距為3m，樁長為10m，截面尺寸為1m×1m，如圖1(a)所示的左側(cè)樁單元立面；圖1(a)右側(cè)為三維網(wǎng)格圖，整個巖土層分為四層，從上往下分別為粉質(zhì)黏土、黏土、強風(fēng)化巖石以及中風(fēng)化基巖，同時在坡體上部欲加表面推力。本次仿真計算在重力作用及施加推力作用下研究巖土體的變形特征。

圖1(b)為樁間距為6m的三維模型圖：在坡體中部設(shè)置一排抗滑樁，樁中心距設(shè)為6m，樁長為10m，截面尺寸為1m×1m，如圖1(b)所示的左側(cè)樁單元立面；圖1(b)右側(cè)巖層分布與圖1(a)右側(cè)巖層分布一致，施加推力位置及大小也一致。本次仿真計算亦是在重力作用及施加推力作用下研究巖土體的變形特征。

圖1 樁間距分別為3m、6m的三維模型圖

表1 土層材料參數(shù)取值表

2 材料計算參數(shù)

土層及樁身混凝土材料參數(shù)見表1。抗滑樁材料參數(shù)見表2。

表2 抗滑樁材料取值參數(shù)表

3 仿真計算結(jié)果

對于得到的仿真結(jié)果，只列舉其中總位移變形矢量圖和變形云圖，根據(jù)變形矢量圖中箭頭的疏密程度、箭頭長度及其方向，可以看出巖土體在抗滑樁之間的變形規(guī)律和變形趨勢；根據(jù)變形云圖中顏色深度的不同，可以看出巖土體在抗滑樁作用下的變形效果和分布趨勢。

圖2 樁間距3m的立面位移矢量圖

圖3 樁間距3m的立面位移云圖(單位：10-6m)

圖2和圖3是樁間中心距為3m的模擬計算結(jié)果。由此可以看出：坡體的變形基本發(fā)生在第一層粉質(zhì)黏土及第二層黏土，下面兩層巖層變形很小，位于抗滑樁周邊表層的變形趨勢很明顯，矢量圖箭頭密集；云圖顏色較暗，所以位于抗滑樁附近的巖土層變形較大，從上往下看，形變越來越小，坡面的形變最大，巖層底部最小。

圖4 樁間距6m的立面位移矢量圖

圖5 樁間距6m的立面位移云圖(單位：10-6m)

圖4和圖5是樁間中心距為6m的模擬計算結(jié)果。通過與樁間中心距3m的模擬結(jié)果對比可以看出：二者總體的變形趨勢和云圖分層現(xiàn)象大體相似，均是在抗滑樁附近的變形較大，坡面變形比坡體下部大。但是經(jīng)通過比較云圖能看出一些差別，主要表現(xiàn)在樁間巖土體的變形特征，為了清晰地比較樁間中心距3m與樁間中心距6m的樁周及樁間變形的差異，從坡體表面觀察模擬結(jié)果的矢量圖及云圖。

圖6 樁身中心距3m的坡面位移矢量圖

圖7 樁身中心距3m的坡面位移云圖(單位：10-6m)

如圖6所示，坡面上樁周、樁間的位移矢量箭頭方向均以中間樁對稱向里指示，同時根據(jù)圖7可以看出，雖然抗滑樁因施加推力及巖土的重力作發(fā)生變形，但是樁間巖土體沒有脫離抗滑樁的控制，巖土體的位移跟隨抗滑樁變化而變化，從云圖可以看出抗滑樁周邊土體位移最大，樁間位移反而較小，說明樁間位移拱效應(yīng)發(fā)生作用，防止了樁間土體發(fā)生較大的變形。所以樁徑為1m、樁間中心距為3m的抗滑樁設(shè)計對滑坡體的治理效果較理想，拱效應(yīng)的存在提升了抗滑樁在滑坡治理中的地位和作用。樁間中心距為6m的坡面位移矢量圖及云圖如圖8及圖9所示。

圖8 樁身中心距6m的坡面位移矢量圖

圖9 樁身中心距6m的坡面位移云圖(單位：10-6m)

通過比較兩種不同樁間距方案的位移矢量圖，樁間距為3m的位移矢量箭頭是對稱向里，而樁間距為6m的位移矢量箭頭是對稱向外，最大的區(qū)別是樁間距為6m的方案的樁間巖土體位移矢量大小比其他區(qū)域大，說明樁間距為6m的樁間巖土體發(fā)生較大的變形，此方案設(shè)計的抗滑樁作用范圍較小，未能充分發(fā)揮土的拱效應(yīng)，樁間巖土體存在繼續(xù)向下滑動的可能，治理效果較差。通過對比兩種不同樁間距方案的變形云圖，樁間距為3m的方案的樁間巖土體隨著抗滑樁的變形而發(fā)生變化，而樁間距為6m的方案樁間位移明顯存在于變形效果不明顯的中間區(qū)域，說明抗滑樁對此區(qū)域無影響，亦說明了樁間沒有形成土拱效應(yīng)。

4 結(jié)語

通過此次仿真計算得出樁間距的設(shè)計是抗滑樁治理滑坡的參考。在抗滑樁設(shè)計中，樁間距既不能過大亦不能過小；樁間距過大，則治理效果較差，拱效應(yīng)作用微弱；樁間距過小，則施工困難，費用增加，對原狀坡體的擾動增大，所以合適的樁間距一直是抗滑樁的研究熱點，在工程設(shè)計中一般按照規(guī)范以及工程實際取一個合適的值，其治理效果基本可以滿足設(shè)計要求。