h型抗滑樁邊坡治理工程數(shù)值模擬研究★

管 永 偉

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西 太原 030006)

h型抗滑樁具有抗彎剛度大，穩(wěn)定性好，前后排樁協(xié)調(diào)效率高、受力形式合理，能夠抵抗較大的滑坡推力和快速收坡護(hù)腳等優(yōu)點(diǎn)[1，2]，因此在滑坡和高邊坡治理工程h型抗滑樁具有更優(yōu)的支護(hù)性能。

針對h型抗滑樁承載力變形和設(shè)計(jì)計(jì)算方法方面的研究，已取得了豐碩成果：王羽，歐明喜等[3,4]建立了h型抗滑樁內(nèi)力計(jì)算模型。歐孝奪等[5-7]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)及監(jiān)測等方法探討了h型抗滑樁承載變形特性，并給出了h型抗滑樁結(jié)構(gòu)正常工作狀態(tài)下時(shí)基樁排距、樁間距、系梁剛度與嵌固深度等參數(shù)的取值范圍。申永江等[6]基于測斜數(shù)據(jù)反演抗滑樁工作狀態(tài)。

本文以山西岢臨高速公路某大橋橋臺(tái)高邊坡治理工程為例，采用數(shù)值模擬的方法對h型抗滑樁進(jìn)行分析研究。

1 工程概況及處治方案

1.1 工程概況

山西岢臨高速公路某大橋處于黃土河谷岸坡地貌區(qū)，采用分幅設(shè)計(jì)，主線全長360 m，上部結(jié)構(gòu)為9×40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)為矩形墩身，基礎(chǔ)采用直徑1.2 m的灌注樁。由于受持續(xù)特大暴雨影響，大橋一側(cè)橋臺(tái)錐形護(hù)坡垮塌，橋臺(tái)樁基礎(chǔ)外露形成臨空面，外露樁基長度達(dá)15 m，樁基外露導(dǎo)致其側(cè)向受力不均衡，進(jìn)而引發(fā)樁基傾斜承載力下降，甚至樁基倒塌。橋臺(tái)處于黃土陡坡上，下端發(fā)育有“U”型沖溝，溝內(nèi)有季節(jié)性流水，垮塌后剩余坡體坡腳受溝谷河流進(jìn)一步?jīng)_蝕作用，使得整個(gè)坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。目前橋梁多處出現(xiàn)裂縫，大橋的運(yùn)營安全受到嚴(yán)重威脅。

1.2 處治方案

橋址區(qū)為典型的黃土高原地貌，地層從上到下主要由第四系粉土及三疊系泥質(zhì)砂巖組成。粉土中夾雜少量黏性土及鈣質(zhì)結(jié)核。泥質(zhì)砂巖為強(qiáng)風(fēng)化類型，厚層狀構(gòu)造。斜坡相對高差較大，高達(dá)50 m，屬于典型的高邊坡處治工程。該不良地質(zhì)工程治理措施關(guān)鍵在于穩(wěn)定橋臺(tái)隱患坡體和修復(fù)外露樁基兩方面。支擋方案選擇了h型樁結(jié)構(gòu)，h型樁不僅能夠“收坡”與“固腳”，而且能承受較大的滑坡推力。

楊義奎等[7]認(rèn)為對于粘聚力為主滑坡體(比如硬塑黏土、土夾石等)，滑體變形呈現(xiàn)整體均勻向下蠕動(dòng)，其滑坡推力可近似為矩形分布。研究區(qū)h型抗滑樁樁后的滑體為填筑的密實(shí)灰土(熟石灰與黏土以3∶7的形式混合)，呈硬塑狀態(tài)，因此滑坡推力考慮為矩形分布，按傳遞系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)見表1(根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果)。最終確定設(shè)計(jì)參數(shù)：h型抗滑樁為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。h型抗滑樁幾何參數(shù)：后排樁長42 m(阻滑段27 m，懸臂段13 m，錨固段15 m)，前排樁樁長27 m(阻滑段12 m，錨固段15 m)，兩榀樁樁距6.5 m，前后排樁排距10.5 m；樁的截面尺寸a×b=2.5 m×3 m，橫梁截面為2.5 m×2.5 m。

表1 研究區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

建立研究區(qū)h型抗滑樁概化模型，如圖1所示，圖1中模型尺寸按照研究區(qū)實(shí)測參數(shù)設(shè)置。運(yùn)用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算(計(jì)算參數(shù)見表1)，對工程案例進(jìn)行系統(tǒng)分析。模擬計(jì)算時(shí)，選用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，坡體遵循Drucker-Prager準(zhǔn)則，滑面服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；樁—土和樁—滑床的摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.19和0.5。假設(shè)坡體、滑面、泥質(zhì)砂巖為均勻、彈性各向同性連續(xù)介質(zhì)；計(jì)算邊界條件為：底部邊界采用固定約束；前后、左右邊界分別施加x和y方向水平約束；坡體表面為自由邊界；初始應(yīng)力為坡體自重。

2.2 h型抗滑樁受力分析

圖2為h型抗滑樁剪應(yīng)力分布特征，圖2中顯示，前、后排樁樁身與系梁交接處、連系梁及錨固段頂部附近均出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，屬于薄弱構(gòu)造部位，在設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)注意配筋驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)中最大剪應(yīng)力約為1.5 MPa，出現(xiàn)在錨固段頂部附近。圖2中還顯示相同高度上的前后排樁樁身應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。將h型抗滑樁前、后排樁樁身水平位移數(shù)據(jù)提取，并繪制曲線，如圖3所示，圖3中顯示，樁身側(cè)向位移量隨距樁頂距離的增大逐漸減小，但減小速率逐漸變緩。前、后樁樁頂水平位移分別為14.8 mm和48 mm，結(jié)構(gòu)變形小，表明h型抗滑樁結(jié)構(gòu)整體體系具有強(qiáng)大的抗變形的能力。對比發(fā)現(xiàn)，相同高度水平上的前后排樁樁身最大位移差相差很小，僅為2.2 mm，和相同高度上前后排樁樁身應(yīng)力分布規(guī)律基本相同特征吻合，因此h型抗滑樁具有的前后排樁結(jié)構(gòu)具有高效協(xié)同工作的能力。

為對比樁身內(nèi)力分布的數(shù)值模擬值與理論計(jì)算值，繪制結(jié)構(gòu)體系中后樁的彎矩分布圖，如圖4所示，圖4中顯示，后樁彎矩的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論值分布規(guī)律相似，說明數(shù)值模擬結(jié)果可靠，總體上數(shù)值模擬值均略小于理論值，說明數(shù)值模擬更能真實(shí)表達(dá)工程實(shí)際情況。

3 變形監(jiān)測

通過在h型抗滑樁后排樁內(nèi)預(yù)埋測斜管，采用測斜儀獲取樁身的側(cè)向位移數(shù)據(jù)。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得抗滑樁的工作狀態(tài)，評價(jià)h抗滑樁結(jié)構(gòu)的抗滑效果。2017年9月21日成樁，養(yǎng)護(hù)14 d后，樁后開始填土施工，對填土施工全過程及施工完畢后一段時(shí)間進(jìn)行變形監(jiān)測，采集樁身側(cè)向位移直至變形位移穩(wěn)定。選取一根典型樁的側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出，隨著距樁頂?shù)木嚯x的增大，樁身的側(cè)向位移逐漸減小，樁身在錨固段頂部與基巖接觸部位基本沒有產(chǎn)生位移，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明該樁工作狀態(tài)良好。

表2 后樁實(shí)測側(cè)向位移

統(tǒng)計(jì)部分樁樁頂最大水平位移數(shù)據(jù)如表3所示。2017年10月20日填土完成，橋臺(tái)錐形護(hù)坡修整完成，表3中顯示此時(shí)樁頂最大累計(jì)位移量達(dá)31 mm。之后對抗滑樁進(jìn)行為期2年的變形監(jiān)測，結(jié)果表明，至2018年10月份樁頂最大累計(jì)位移量增加到51.6 mm，此后到2019年10月份相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)樁頂位移量不再增加，說明h型抗滑樁在本工程中的治理效果顯著。

表3 后排樁樁頂位移監(jiān)測結(jié)果 mm

4 結(jié)語

結(jié)合典型工程實(shí)例，對采用數(shù)值模擬的方法對h型抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

1)數(shù)值模擬得到的h型樁結(jié)構(gòu)受力特性，表明該結(jié)構(gòu)前后排樁結(jié)構(gòu)具有高效協(xié)同工作的能力。與理論計(jì)算值相比數(shù)值模擬結(jié)果更能真實(shí)表達(dá)工程實(shí)際情況。

2)h型抗滑樁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)具有較高的吻合。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，樁體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明h型抗滑樁在本工程中的治理效果顯著。