巖土體力學參數對抗滑樁變形特性的影響研究

蔣遠芳

摘要：為研究巖土體力學參數對抗滑樁變形的影響，文章基于數值模擬，討論了巖土抗剪強度參數、彈性模量及泊松比對抗滑樁變形的影響。結果表明：數值模擬結果與實測結果吻合度較好，樁的水平位移隨深度先增大后減小；在樁的深度為6 m時，水平位移達到最大值24.1 mm，計算值為25.3 mm，相對誤差為4.7%；土體的彈性模量對樁水平位移的影響最顯著，內摩擦角和粘聚力對其的影響基本相同，而泊松比對樁水平位移的影響基本可以忽略；實際工程中，對于軟土地區，為有效控制樁的水平變形，可采用旋噴和攪拌方式對樁體周圍土體進行加固。

關鍵詞：抗滑樁；土體參數；變形特征；數值模擬；邊坡支護

中圖分類號：U417.1 A 32 102 2

0 引言

滑坡是全球性范圍內廣泛發育的一種地質災害，由于其規模大、分布廣泛和危害性大，容易造成較大的社會影響。目前滑坡的相關研究主要集中于抗滑樁的受力性能及治理效果方面。侯超群等［1］基于三維數值模擬，系統地研究了影響抗滑樁加固效應的敏感性因素分析。研究結果表明，不考慮土體抗剪強度參數時，邊坡傾角、地震作用、抗滑樁對邊坡安全系數有較大影響。平詩語等［2］基于有限差分強度折減法，系統地研究了滑坡模式對抗滑樁加固樁位與嵌固深度的影響，結果表明，推移式滑坡在邊坡中后部設置抗滑樁最優，牽引式滑坡在邊坡的前部設置抗滑樁最優。程盛［3］基于某高速公路路基邊坡治理中矩形截面抗滑樁的實際應用。系統地分析了矩形樁的受力性能，以及水鉆法成孔工藝和鋼筋孔內綁扎工藝，研究結果可為類似工程提供經驗。刁海珠［4］基于FLAC 3D數值模擬，研究了抗滑樁加固參數對邊坡穩定性影響，結果表明，一定范圍內，邊坡穩定性會隨著樁長的增加而提高。何文野等［5］基于FLAC 3D數值模擬研究了抗滑樁參數對邊坡穩定性影響，結果表明，樁間距和樁截面尺寸是影響邊坡的穩定性的主要因素，而樁長度對其的影響較小。李永奎［6］基于有限元數值模擬研究了樁截面尺寸對巖堆三排樁力學特性影響，結果表明，三排樁中第二排樁的錨固長度應大于第一排和第三排的錨固長度。金兆鑫［7］基于數值模擬研究了不同型式的抗滑樁治理效果，結果表明，實際工程中，矩形樁和圓形樁的受力特性基本一致，但矩形樁的施工難度和經濟性要優于圓形樁。

本文依托公路工程抗滑樁支護邊坡實際工程。開展Midas-GTS數值模擬計算，系統地研究了巖土體力學

參數對抗滑樁變形特性的影響，討論了巖土的抗剪強度參數、彈性模量及泊松比對抗滑樁變形的影響，研究成果可為相關工程設計及施工提供借鑒。

1 工程概況及數值模型

1.1 工程概況

某公路路堤邊坡，邊坡的高度為20 m，頂寬為12.5 m，底寬35 m，坡度約為20°。為了保證公路的安全運營，擬對上方邊坡進行加固處理。采用鋼筋混凝土抗滑樁及坡面網格梁進行支護。抗滑樁的長度統一取為14 m，樁間距為6 m，截面尺寸為1.5 m×2 m。根據現場鉆孔資料顯示，巖層由上至下分別為：

（1）坡積土。灰色-灰褐色，成分主要是黏性土，含有大量的碎塊石和混凝土碎塊，松散，欠密實。平均厚度為2.3 m。

（2）粉質黏土。褐色、青色等。可塑。主要成分為黏土。平均厚度為9 m。

（3）強風化泥巖。黃灰色。風化嚴重，巖芯取樣為碎屑狀，遇水容易崩解。平均厚度為5 m。

1.2 數值模型

基于Midas-GTS軟件進行建模與分析。建立邊坡數值模型如圖1所示。另外，為了減少應力波在邊界處反射造成的影響，模型整體尺寸比樁的尺寸大得多。模型的邊界條件為：左右兩側約束水平位移，底部為約束豎向位移，頂面為自由面。網格尺寸為0.5 m。抗滑樁和支撐采用梁單元進行模擬，土體采用四邊形單元模擬。土體材料采用摩爾-庫侖本構模型。計算中不考慮地下水以及孔隙水壓力的影響。抗滑樁材料假定為各向同性，采用彈性本構模型模擬。巖土體的計算參數如表1所示。

2 計算結果與分析

2.1 數值模擬與實測結果對比

采用數值模擬計算了樁體位移隨樁深度的變形規律（圖2），結果表明樁的水平位移隨深度先增大后減小。在樁身＜6 m時，樁的水平位移隨樁長基本呈線性增大；當樁長＞6 m時，樁的水平位移隨樁長基本呈線性減小。在樁的深度為6 m時，水平位移達到最大值，最大值為25.3 mm。總體來看，樁的最大水平位移滿足規范的安全性要求。這證明采用抗滑樁進行支護是有效的。

2.2 土體彈性模量的影響

為了研究土體彈性模量對抗滑樁變形的影響，在保持其他條件不變的情況下，分別計算了彈性模量為原始值的0.8倍和1.2倍時，樁的水平位移隨深度的變化趨勢（圖3）。結果表明，樁的水平變形隨土體的彈性模量增大而減小，即土體越軟，樁變形越大。此外，三種彈性模量下，樁最大的水平位移發生在5 m深度處，抗滑樁的最大水平位移分別為36.2 mm、22.5 mm和15.3 mm。此外，當土體的彈性模量由0.8倍增大至1.0倍時，樁的水平位移增大效應比土體彈模由1.0倍增大至1.2倍時要小，證明樁的水平位移對土體剛度減小的影響更明顯。

2.3 土體內摩擦角的影響

為了研究土體內摩擦角對抗滑樁變形的影響，在保持其他條件不變的情況下，分別計算了內摩擦角為原始值的0.8倍和1.2倍時，樁的水平位移隨深度的變化趨勢（圖4）。結果表明，樁的水平變形隨土體的內摩擦角的增大而減小，即土體抗剪強度越高，樁變形越小。此外，3種內摩擦角下，樁最大的水平位移發生在5 m深度處，抗滑樁的最大水平位移分別為31.8 mm、23.2 mm和18.1 mm。主要原因是，5 m深度處樁的水平約束作用最弱。當土體的內摩擦角由0.8倍增大至1.0倍時。樁的水平位移增大效應比土體內摩擦角由1.0倍增大至1.2倍時要大，證明樁的水平位移對土體內摩擦角減小的影響更明顯。

2.4 土體粘聚力的影響

為了研究土體粘聚力對抗滑樁變形的影響，在保持其他條件不變的情況下，分別計算了粘聚力為原始值的0.8倍和1.2倍時，樁的水平位移隨深度的變化趨勢（后頁圖5）。結果表明，樁的水平變形隨土體的粘聚力增大而減小，即土體抗剪強度越高，樁變形越小。此外，3種粘聚力下，樁最大的水平位移發生在5 m深度處，最大位移分別為28 mm、24 mm和20 mm。當土體的粘聚力由0.8倍增大至1.0倍時，樁的水平位移增大效應比土體粘聚力由1.0倍增大至1.2倍時要大，證明樁的水平位移對土體粘聚力減小的影響更明顯。

2.5 土體泊松比的影響

為了研究土體泊松比變化對抗滑樁變形的影響，在保持其他條件不變的情況下，分別計算了泊松比為原始值的0.8倍和1.2倍時，樁的水平位移隨深度的變化趨勢（圖6）。結果表明，樁的水平變形隨土體的泊松比增大而減小，即土體越軟，抗滑樁的變形越大。此外，3種泊松比下，樁最大的水平位移發生在5 m深度處，最大位移分別為24.5 mm、23.1 mm和22.5 mm。總體來看，與土體的其他參數對抗滑樁變形的影響相比，泊松比變化對樁水平變形的影響較小，各泊松比數值下，樁的變形值基本相同。

3 結語

本文依托某公路邊坡防護工程，開展Midas-GTS數值模擬計算，系統地研究了巖土體力學參數對抗滑樁變形特性影響，討論了巖土的抗剪強度、彈性模量及泊松比對抗滑樁變形的影響，得到如下幾點結論：

（1）樁的水平位移隨深度的增大先增大后減小。在樁的深度為6 m時，水平位移達到最大值，最大值為25.3 mm。綜合來看，抗滑樁的加固效果是顯著的。

（2）土體的彈性模量對抗滑樁水平位移的影響最顯著。內摩擦角和粘聚力的影響基本相同，而泊松比對樁水平位移的影響基本可以忽略。

（3）根據分析，實際工程中，為了有效控制抗滑樁的變形，應適當增加土體強度。尤其是對于軟土地區，為了有效控制抗滑樁的水平變形，可采用旋噴和攪拌等方式對樁體周圍土體進行加固。

參考文獻

［1］侯超群，丁 瑩，孫志彬，等.抗滑樁加固邊坡三維穩定因素的敏感性分析［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2022，45（8）：1 092-1 099.

［2］平詩語，夏元友，陳 晨，等.不同演化模式滑坡抗滑樁加固樁位與嵌固深度的影響分析［J］.武漢理工大學學報，2022，44（7）：67-74.

［3］程 盛.邊坡矩形截面抗滑樁的施工技術與應用研究［J］.公路，2018，63（9）：76-79.

［4］刁海珠.抗滑樁加固參數對邊坡穩定性影響的數值計算［J］.安徽建筑，2022，29（5）：144-145.

［5］何文野，范榮全，唐 楊，等.抗滑樁參數對邊坡穩定性影響研究［J］.人民長江，2020，51（S1）：191-195.

［6］李永奎.樁截面尺寸對巖堆三排樁力學特性的影響研究［J］.路基工程，2020（2）：87-92.

［7］金兆鑫.不同型式抗滑樁治理某多滑帶滑坡的加固效果研究［J］.蘭州石化職業技術學院學報，2019，19（4）：19-22.

收稿日期：2023-09-06