聯合h型樁在滑坡體阻滑中應用數值模擬研究

寧 宇，黃青富，郝李坤，石 崇

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051；2.河海大學巖土工程研究所，南京 210024)

滑坡是較常見的一種地質災害，對人類的生命財產安全構成了巨大的威脅，因此滑坡治理是一項十分復雜的巖土工程技術，在巖土界一直備受關注。

常見的滑坡體支護技術有抗滑樁、擋土墻、預應力錨索等，其中抗滑樁技術近年來不斷發展，且設計理論和研究方法逐漸成熟，中外學者對其均有研究。因抗滑樁主要承受滑坡體的推力，研究滑坡體支護必須先要研究滑坡體推力。戴自航[1]在大量的抗滑樁模型試驗和現場試驗基礎上，分析總結了不同巖土類型滑坡的滑坡推力和巖土抗力的分布形式和分布函數表達式。吳應祥等[2]、敖貴勇等[3]等提出了基于有限元強度折減法的抗滑樁滑坡推力及抗滑樁內力可靠性分析方法。楊建民等[4]考慮土拱效應，結合Ito塑性變形思想，提出滑坡體作用在抗滑樁上水平推力的新計算式。目前主要采用懸臂樁法和地基系數法來計算抗滑樁內力，蘇愛軍等[5]基于抗滑樁嵌固段樁周巖土體服從文克爾假定，推導了懸臂式抗滑樁內力與位移通用計算公式；肖世國[6]將抗滑樁所在部位單獨劃分條塊，推導了相應的樁體受荷段底端內力計算公式。近年來抗滑樁的設計也逐漸得到了優化，文獻[7-10]在合理選擇樁長、埋入深度、樁位、樁間距，以及樁截面形式等方面分別進行了研究。

中國西南地區地質條件十分復雜，廣泛存在大型滑坡問題，采用常規單排抗滑樁難以滿足工程要求，此時多采用雙排抗滑樁，h型抗滑樁由門架式雙排抗滑樁[11]演化而來，近年來不斷被應用到工程實踐中，羅忠行等[12]推導出了一種支護結構水平位移和地面沉降的公式。申永江等[13]提出了前、后排抗滑樁按照一定比例分擔滑坡推力的計算方法。劉新榮[14]等利用專門設計的h型抗滑樁物理模型，研究了前后樁的樁間土抗力。李洋等[15]對h型抗滑樁的受力特性進行研究，并對其進行了優化設計。張永杰等[16]根據h型抗滑樁的承載變形特性,將其分為阻滑段與錨固段，提出滑坡推力作用下阻滑段與錨固段的承載變形分析模型，建立出h型抗滑樁簡化計算方法。

近年來，隨著數值模擬方法的發展，虛擬數值試驗技術在邊坡支護的研究中發揮了重要作用。相較于物理試驗，數值模擬試驗不僅花費代價小且具有可重復性，而且在直觀觀察滑坡體位移、支護結構支護效果等方面也具有巨大的優勢。杜興無等[17]、譚朝瑞等[18]等建立有限元計算模型，對滑坡體推力情況進行研究，詹智麒等[19]利用有限元軟件PLAXIS 3D建立三維數值模型探究了不同布樁方式對h型雙排樁支護結構的影響，董曼曼等[20]通過3DEC數值試驗，研究了抗滑樁的有效影響范圍與樁截面寬度、深度的關系。唐勇等[21]基于有限差分軟件FLAC 3D分析了抗滑樁平衡、失穩、破壞時的樁土力學效應。劉青等[22]采用有限差分數值分析軟件FLAC 3D對雙排樁-錨支護結構進行了數值分析，揭示了樁身位移和彎矩隨開挖深度，樁間距的變化規律。李亮[23]、周云濤等[24]于數值模擬分析，探究了樁-土-錨體系的內力位移分布規律及其影響因素。

基于具體工程實際，利用結構單元建立了h型樁耦合數值模型與基于有限差分平臺的數值模擬計算方法，以典型滑坡堆積體[25]為例，利用自開發程序進行插樁、加錨索和模擬降雨工況，對滑坡體進行聯合支護，通過模擬單排樁支護、多排樁支護，同時改變不同高程位置進行支護，探討最佳的支護位置及聯合支護的作用效果。

1 滑坡支護體系構造方法原理

1.1 抗滑樁計算原理

h型抗滑樁由矩形截面的前樁、后樁、連梁組成整體，共同抵抗滑坡推力。由于h型樁的計算較為復雜，目前還沒有形成統一的計算方法，本文結合門架式雙排樁與結構力學中的位移法計算。計算時，將h型抗滑樁簡化為樁底部固定的h型剛架，前后樁與橫梁為剛接如圖1所示，各部分之間通過剛節點進行連接，并將h型抗滑樁分解為2區懸臂段、3區阻滑段、4區錨固段三部分(R為錨索拉力、M為彎矩、Q為剪力、EI為截面抗彎剛度，N為軸力)。

圖1 h型樁分解計算示意圖

基本假定:

(1)矩形截面構件的剛度計算公式為i=bh3/12，(i為剛度，b為寬度，h為高度)在截面尺寸相差不大時，ibc/ibd(連梁和前樁的剛度比)一般較大，為簡化計算可將連梁視為剛體。

(2)剛性連梁受橫向荷載后梁身變形極小，因此可假定連梁與前后樁節點處的水平位移相等。

其中前排樁主要承擔滑坡體的推力(p1)和樁間土產生的被動土壓力(p3)，而后排樁承受樁間土壓力(q4)和樁前抗力(q2)。

1.2 樁單元與錨索單元構建模型

樁單元是巖土連續數值模擬常用的結構單元，如FLAC3D方法等。每個樁的結構元素由其幾何、材料和耦合彈簧特性定義。假定樁單元是位于兩個節點之間的具有均勻雙對稱橫截面特性的直段。可以將任意彎曲的結構樁建模為由樁元素集合組成的曲線結構。樁單元的剛度矩陣與梁單元的剛度矩陣相同。但是，除了提供梁單元的結構行為(包括指定極限塑性力矩的能力)外，法向(垂直于樁軸)和切向(平行于樁軸)摩擦相互作用發生在樁和網格之間。樁單元適用于對結構支撐構件(例如基礎樁)進行建模，對于這些構件，法向和切向的摩擦相互作用都由巖石或土壤產生。

樁單元和錨索單元都有其單獨的局部坐標系，如圖2(a)所示(u、v、w分別為x、y、z方向的位移，θ為對應的轉角)。該坐標系用于指定截面慣性力矩和所施加的分布載荷，并定義單元上力和力矩分布的方向。單元的局部坐標系由其兩個節點的位置決定。如圖2(a)所示，坐標系的x方向從節點1指向節點2，z方向為豎直向上，其中樁單元包含12個有效自由度，包含2個有效自由度，對于錨索單元，如圖2(b)、圖2(c)所示。每個節點處的不平衡力均由錨索中的軸向力以及剪力計算得出，通過沿灌漿環的剪切相互作用而產生，軸向位移通過不平衡軸向力和集中在每個節點上的質量對節點加速度進行積分來計算。

圖2 結構單元示意圖

由于國內外針對預應力錨桿h型樁的研究極少，現基于預應力錨索樁內力的研究成果，對有錨索的h型樁懸臂梁段進行計算。同時假定:①每根懸臂段的錨索承擔相鄰兩樁中部-中部的巖土壓力；②作用在樁上的力僅考慮滑坡推力、錨索拉力；③將錨索和懸臂段視為整體，考慮懸臂段、錨索變形以及兩者變形的協調。

2 計算參數及本構模型

2.1 計算模型

以爭崗滑坡體為案例，其位于古水水電站壩址下游右岸爭崗山梁下游側總方量達4 750萬 m3，屬于特大型滑坡堆積體，存在多處厚度超過50 m的超深層滑坡。爭崗滑坡堆積體三維計算模型范圍為:x方向1 900 m，y方向1 230 m，z方向1 855 m。模型底高程取為1 500 m，共劃分單元數目8 080個。爭崗滑坡堆積體現場滑坡體區域如圖3所示，滑坡體模型如圖4所示。

圖3 滑坡堆積體研究區域

圖4 滑坡體模型示意圖

2008年10月強降雨和2009年2月融雪，滑體下部泉水點增加，流量加大，變形加劇；3月降水減少，泉水點和滲水量隨之減少，變形則趨緩，表明滑帶土層透水性較差，暴雨自上而下在滑體內形成1～9 m的滯水層，滯水層靠近底滑面，減小了上覆滑體抗滑力，導致滑坡復活。

2.2 計算參數

由于主要考慮滑坡體與滑帶土的變形與破壞情況，所以將模型地層從上至下分為4層:滑坡體、滑帶土、傾倒折斷帶和基巖。依據爭崗滑坡堆積體深化研究地質報告，模型中巖土體力學參數取值如表1所示。結構單元的力學參數如表2所示。

表1 巖土體物理力學參數取值表

表2 結構單元物理力學參數

2.3 本構模型

采用帶抗拉強度的Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，該準則是傳統Mohr-Coulomb剪切屈服準則與抗拉屈服準則相結合的復合屈服準則。剪切和抗拉屈服準則分別為

(1)

(2)

Nφ=(1-sinφ)/(1+sinφ)

(3)

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應力；φ為內摩擦角；c為黏聚力；σt為巖石抗拉強度；Nφ為與內摩擦角有關的參數；fs、ft分別為剪切、抗拉強度。

3 滑坡支護模擬及結果分析

有限差分法模擬計算復雜支護體系往往較為煩瑣，耗費大量的時間。為了解決這一問題，基于AUTOCAD與FLAC3D6.0計算平臺，研制開發了“基于有限差分法的h型樁聯合支護施加程序”，該程序基于FLAC3D6.0模型的計算狀態，利用AUTOCAD作為媒介，對滑坡體表面進行自動識別，同時實現錨索施加、表面噴射混凝土、h型樁聯合支護作用，可以根據支護高程、樁體尺寸等基本參數設置，實現自動插樁支護，大大方便數值計算效率，從而快速的計算分析聯合支護形式的效果。

通過自開發程序對堆積體CAD(computer aided design)圖進行識別，建立網格，確定滑動面，然后根據地質情況輸入h型抗滑樁的尺寸、抗滑樁的高程位置，以及設置樁后錨索，抗滑樁的長度以及錨索的長度均根據埋深和地形狀況自動調節，具體流程如圖5所示。

圖5 聯合支護流程

聯合支護時可采用多排樁、每排樁均由h型樁、樁后錨索、樁間橫梁聯合支護的形式來進行邊坡加固，如圖6(a)為多排h型樁進行支護時示意圖。通過對滑坡體施加水壓力來模擬降雨作用時的影響如圖6(b)所示。利用強度折減法[26]來分析邊坡安全系數時，此時的位移不具有參考價值。所以圖7中未顯示滑坡體位移情況。

圖6 滑坡體聯合支護示意圖

圖7(a)為強度折減法得到的天然工況下邊坡的安全系數，大小為1.1，通過對滑坡體施加水壓，來模擬降雨作用下滑坡體工況，根據實際降雨大小，在滑坡體表面施加了5 m 水頭的水壓力作用。圖7(b)為強度折減法得到的降雨工況下邊坡的安全系數，大小為1.059，可以看出在降雨作用下，滑坡體的安全系數降低較大，這也是導致滑坡的主要原因。

圖7 強度折減下邊坡安全系數

4 樁位對抗滑樁阻滑效果分析

為討論不同樁位對抗滑樁阻滑效果影響，設置樁位高程分別為2 350、2 450、2 550、2 650、2 750、2 850、2 950 m。采用強度折減法得到安全系數與樁位高程關系如圖8所示。

由圖8可以看出，樁位高程即當抗滑樁置于滑坡體中部位置時，安全系數有最大值，此時抗滑樁效果最好，邊坡穩定性最佳。隨著樁位高程增大或減小，邊坡穩定性降低。

圖8 樁位高程對邊坡穩定性影響

為了探究各個部位靜態位移的變化情況，在潛在滑坡體上設置了相應監測點，共設置了如圖9所示3組監測線，分別為了l1、l2、l3，其中l1監測線上布置有17個測點，l2監測線上布置有14個測點，l3監測線上布置有13個測點，用于監測支護前后潛在滑坡體的位移情況。

圖9 測線與測點示意圖

根據模擬持續降雨工況，并監測邊坡的位移情況，通過對各監測點的位移變化情況進行對比，如圖10可以看出支護在不同的高程位置處時，各監測線上的監測點位移是大不相同的，并且呈現出一定的規律性，支護在2 350、2 450、2 550 m高程位置時，所有監測點的整體位移都大于其他高程，當抗滑樁支護在滑坡體的中上部時，整體位移偏小。平均位移情況下，2 650 m高程處支護效果相對理想，而強度折減法得到的安全系數情況同樣是2 650 m處較為安全，表明抗滑樁阻滑效果最佳的是樁位高程位于潛在滑坡體中部位置區域。

圖10 不同監測線上測點位移隨高程變化

分別對常規單根樁、單樁與樁后錨索、h型樁與樁后錨索進行阻滑效果分析，樁與樁之間均通過橫梁連接，圖11(a)為不同形式的抗滑樁進行支護時l1測線上各測點的位移情況，可以看出h型抗滑樁的聯合支護具有明顯的優勢，同一測點位置在降雨作用時，聯合支護抗滑樁位移較小。

抗滑樁在實際工程中，大多是以多排樁的形式進行支護。圖11(b)為不同排數的抗滑樁進行支護時l1測線上各測點的位移情況，可以看出，隨著抗滑樁的數量增加，滑坡體位移逐漸減小，即支護效果與抗滑樁排數成正比。

通過對不同支護形式的抗滑樁進行監測，分別分析在最大位移樁體處的位移和彎矩情況，圖11(c)為不同支護形式下樁體位移情況，在埋深較大時，不同形式的抗滑樁樁體位移相差不大，原因是抗滑樁的一般是在樁頂位置處位移較大，在超過滑坡體深度位置處位移較小，通過對比可以看出，聯合支護時抗滑樁的樁體位移整體低于其他形式的抗滑樁，這表明此時的滑動相對較小，支護效果較好。而樁身彎矩方面[圖11(d)]，不同形式的抗滑樁彎矩最大位置基本相同，位于樁體的下部，同時h型抗滑樁的最大彎矩是單樁最大彎矩的2.5倍。

圖11 抗滑樁效果對比

h型樁進行支護時，長樁高于短樁5 m，長樁與短樁共同作用時，由長樁承擔了較大的彎矩，圖12可以看出h型樁的樁體最大彎矩長樁是短樁的三倍，但樁體位移整體相差不大，在較大降雨工況時，h型樁的長樁樁體位移，同一埋深位置處，短樁的樁體位移比長樁的樁體位移偏小。

圖12 h型樁的長短樁分析

5 結論

基于有限差分計算平臺(FLAC3D6.0)，采用結構單元耦合方法建立了可模擬復雜h型樁聯合支護的抗滑穩定分析方法，以爭崗滑坡體為案例對抗滑樁效果進行了分析，探討了多樁作用對邊坡穩定性的影響。得到如下主要結論。

(1)采用結構單元耦合方法，可模擬復雜h型樁聯合支護的抗滑穩定，不僅可考慮h型樁單樁作用，還可利用橫梁將多樁及錨索支護聯合，可充分體現復合抗滑支護的復雜性。該方法下建立的h型樁施加技術大大提升了數值計算工作效率。

(2)抗滑樁支護可使提升邊坡穩定性，但提升效果受抗滑樁支護位置高程影響，抗滑樁主體布置在邊坡中部時效果最佳，邊坡安全系數最大，由坡腳至坡頂安全系數呈現出先增加后減小的趨勢。

(3)采用聯合支護的新方法，與其他支護進行了對比，當h型樁與樁間橫梁和樁后錨索的聯合支護時安全系數更高，樁身的水平位移更小，樁身內力分布更加合理，且結構整體性更強，對邊坡加固效果更好；同時h型樁的長樁與短樁在支護時作用效果并不完全相同，前排樁承擔了大部分的荷載。