微型樁復合支護措施的數值模擬

林亞南

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

暴雨工況下邊坡容易失穩，失穩后的邊坡多采用微型樁進行支護。微型樁的支護效果如何，學者們對此進行了深入的研究。張超等[1]對微型樁的設計和應用范圍進行了分析，并結合數值模擬提出了優化微型樁的設計方案。魯志強等[2]對微型樁的適用條件和適用范圍進行了研究，認為可以將微型樁設計為斜樁，以便獲得更高的承載力。陳偉堅等[3]認為可以將微型樁與框架梁、蓋板等進行串聯，以獲得更大的錨固效果，以此達到進一步提高坡體穩定性的目的。馬華等[4]在對微型樁進行分析后，提出了微型樁+邊梁的支護形式，并通過理論計算分析了其加固效果，認為此支護形式可進一步提高坡體的穩定性。張昌太等[5]認為微型樁可以適當向硬巖部位進行延伸，此加固方式能夠達到安全穩定和控制邊坡變形的目的。

然而以上的研究并沒有分析外加荷載條件下，微型樁和錨桿的組合支護形式能否達到支護的目的，暴雨工況下微型樁是否適用。針對以上問題，本文首先計算暴雨工況下邊坡的剩余下滑力，繼而分析微型樁和錨桿的受力，最后對邊坡支護后的穩定性進行分析。

1 工程地質

該邊坡位于遼寧省境內，邊坡如圖1所示。邊坡的長×高為128m×86m，邊坡的工程地質條件可表述為從上至下，分別為風化土、風化巖和硬巖，物理力學性質見表1。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 邊坡平面圖(單位：m)

勘察發現坡腳處已出現裂縫，由此可知邊坡急需進行加固，結合以往的加固經驗，選擇樁+錨桿的組合支護形式，選擇怎樣的樁型，須對剩余下滑力進行計算。

2 剩余下滑力

在暴雨工況下邊坡坡腳出現了裂縫，根據裂縫范圍和勘察的結果可將滑動面描述出來。按照瑞典條分法將滑動面劃分為12個條塊，設樁處位于第11個條塊，于是僅需計算前11個條塊的剩余下滑力，剩余下滑力的計算結果見表2。

由表2可知，暴雨工況下第11個條塊的剩余下滑力為1740.3kN/m，且從第8個條塊的剩余下滑力數值可知，第8個條塊已處于抗滑段，以上2個條件滿足微型樁的適用條件，因此采用微型樁和錨桿對邊坡進行支護[6-9]。

表2 暴雨工況下的剩余下滑力

3 數值模擬

3.1 模型的參數

MIDAS GTS能夠較好地模擬邊坡工況，因此采用此軟件對邊坡進行數值模擬研究。因為研究的重點是微型樁和錨桿的支護效果，選擇二維邊坡進行研究，暫不考慮土拱效應的影響[6-9]。

在第11個條塊處用微型樁進行支護，微型樁的截面面積為0.0326m2，彈性模量750MPa，泊松比為0.33，微型樁接觸面法向和切向剛度均為1.2e4MPa，在滑面以上8m處設樁，經計算微型樁樁長為16m。

二維平面上布置7根錨桿，縱向間距為3m，錨桿長9m，錨桿與平面呈12°夾角布置，經考證可知錨桿彈性模量為2.21e8kN/m2，泊松比為0.23，容重為76.2kN/m3。待錨桿布置完成后隨即對坡面進行噴砼，砼屬性為C10，噴射厚度為0.1m。坡頂處有一棟房屋，房屋重約5.2t，將其等效為垂直均布荷載，數值為2.3e4kN/m。

數值模擬中除滑面區域以外，風化土、風化巖和硬巖統一按0.8m進行網格劃分。滑面區域是數值模擬計算的重點，按0.5m進行網格劃分，錨桿按4m進行網格劃分，采用析取命令進行錨桿的定義，微型樁以2m進行網格劃分。以最不利工況即暴雨工況對邊坡的支護效果進行研究[10-11]。

3.2 模型的建立

根據工程地質情況和地勘調查結果，數值模擬的建立如圖2所示。利用2排微型樁對邊坡進行加固，暴雨工況取該地近10a日最大降雨值，降雨首先作用于坡面，繼而通過坡面下滲至坡體。

圖2 數值模擬二維平面圖

3.3 微型樁受力

微型樁所受的彎矩如圖3所示。

由圖3(a)可知，1號微型樁所受最大彎矩為78kN·m，1號微型樁所受的彎矩區域主要集中于樁體上部，且最大的彎矩在材料允許的范圍內，滿足工程支護的需求。

由圖3(b)可知，2號微型樁所受最大彎矩為66kN·m，2號微型樁所受的彎矩區域于中間部位較大，但是彎矩分布較為均勻，同樣最大的彎矩在材料允許的范圍內，滿足工程支護的需求。

由圖3可知，1號微型樁所受的彎矩整體上大于2號微型樁，但是1號微型樁所受的彎矩分布不均勻，可考慮適當調整1號微型樁的位置。

圖3 微型樁所受彎矩

微型樁所受的軸力如圖4所示。

由圖4(a)可知，1號微型樁所受的軸力最大為5.4kN，主要集中于樁體上部，此樁體下部區域幾乎不受軸力。

由圖4(b)可知，2號微型樁所受的軸力最大為4.0kN，主要集中于樁體上部，此樁體受力較為均勻。

圖4 微型樁所受軸力

由圖4可知，1號微型樁所受的軸力大于2號微型樁，但1號微型樁受力不均勻，軸力主要集中于樁體上部區域，此結果與微型樁彎矩的結果類似，因此有必要調整1號微型樁位置，以使1號微型樁受力和彎矩更加均勻，避免材料的浪費，以達到節約工程造價的目的。

3.4 錨桿的受力

待邊坡計算結束以后，錨桿的受力如圖5所示。

由圖5可知，錨桿的受力呈現兩邊大，中間小的趨勢，中間錨桿的受力較為均勻，而兩邊的錨桿受力較為復雜，呈現拉壓應力均增大的勢態，最大受力為170kN，此錨桿所在位置最接近坡腳處。

圖5 錨桿所受軸力(單位：kN)

3.5 邊坡的穩定性

選擇最不利工況，即暴雨工況對支護完成的邊坡進行拆減系數法分析，分析結果如圖6—7所示。

由圖6可知，暴雨工況下邊坡的安全系數為1.65，滑動面并沒有生成，說明坡體是穩定的，支護措施達到了支護的目的。

圖6 邊坡拆減系數分析

進一步搜索潛在滑動面，滑動面生成以后，1號微型樁并沒有穿透滑動面，說明1號微型樁的位置設置過于靠后，沒有達到完全治理邊坡的目的，應當適當調整微型樁的位置。

圖7 邊坡受力作用下的虛假滑動面

4 結論

(1)1號微型樁的彎矩和軸力均大于2號微型樁，且滑動面并未穿過微型樁，說明微型樁的設置位置應當適當調整。

(2)邊坡在暴雨工況下的安全系數為1.65，說明支護措施有效，達到了治理邊坡滑動的目的。

(3)以上的研究可供微型樁的設計參考，暫沒有考慮樁間土拱效應，此方面的研究有待進一步開展。