基于ABAQUS的不同傾角水庫邊坡抗滑樁支護效果研究

李 雯

(甘肅省酒泉市瓜州縣水務(wù)局,甘肅 酒泉 736100)

1 概 述

近年來,抗滑樁在地下工程中得到廣泛應(yīng)用。然而在實際工程中,抗滑樁的支護經(jīng)常出現(xiàn)支護失效的現(xiàn)象,甚至造成抗滑樁本身的破壞[1]。影響抗滑樁支護效果的因素很多,如抗滑樁樁長、樁徑、樁間距、樁類型,以及地層的穩(wěn)定性和土體的強度、密度等參數(shù)會直接影響抗滑樁的支護效果[2-3]。

抗滑樁的設(shè)計主要涉及兩個方面:抗力設(shè)計和幾何形狀設(shè)計。抗力設(shè)計包括計算抗滑樁所需的承載力和滑移力,以確定抗滑樁的尺寸和深度。幾何形狀設(shè)計則包括抗滑樁的長度、直徑、間距和形狀等[4]。為此,應(yīng)將保證抗滑樁對坡面的加固效果(即坡面安全系數(shù))和降低抗滑內(nèi)力,作為對抗滑樁進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計時的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)[5]。近幾年,對抗滑樁參數(shù)分析,許多學(xué)者做過深入研究。王聰聰?shù)萚6]利用數(shù)值方法對邊坡中抗滑樁的加固效果進行分析,對邊坡穩(wěn)定系數(shù)、臨界滑移面、樁體內(nèi)力、變位響應(yīng)等因素的影響進行了設(shè)樁位置、樁長等方面的探討,結(jié)果顯示在邊坡中部上部設(shè)樁則更有利于邊坡穩(wěn)定性。朱泳等[7]利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC,采用強度折減有限元法,分析了抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的若干因素,得出了與抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)相對的樁位、樁長等因素的影響規(guī)律。

目前,大多數(shù)抗滑樁的參數(shù)優(yōu)化研究都集中在豎樁領(lǐng)域,很少有斜樁方面的研究。基于此,本文利用數(shù)值模擬軟件ABAQUS,通過不同設(shè)樁位置和傾斜角度,研究抗滑樁加固坡面的效果和自身內(nèi)力的影響,得出合理的樁位和傾角;然后將傾斜樁與同樁位置的豎直樁進行對比,分析針對抗滑樁加固坡面效果的因素,如樁間距、樁長、樁體彈性模量等方面的影響,研究結(jié)果可為邊坡抗滑樁的設(shè)計提供參考與借鑒。

2 工程概況

某水庫位于山谷內(nèi),沿岸為高陡邊坡。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果,該邊坡土體巖性為碎石土,碎石粒徑3～20cm,碎石含量約35%。該路基邊坡各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)

3 邊坡數(shù)值模型建立

利用ABAQUS軟件,建立典型二維邊坡模型。在邊坡中布置抗滑樁幾何參數(shù)為:邊坡水平長度15m,坡高10m,邊坡坡度1:1.5。在數(shù)值模擬計算中,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為失穩(wěn)判據(jù)。前后、左右兩端采用法向約束,底部保持固定,見圖1。

圖1 邊坡抗滑樁示意圖

4 抗滑樁優(yōu)化設(shè)計

抗滑樁設(shè)計除了要保證其加固效果,還要考慮合理設(shè)計,以降低施工費用。可采用防滑樁加固后的坡面安全系數(shù),表示抗滑樁對坡面的加固效果。在不同布設(shè)方式條件下,同一抗滑樁的設(shè)計成本可以間接反映為抗滑樁的內(nèi)力峰值。本文所計算的抗滑樁內(nèi)力主要是指抗滑樁的彎矩峰值,考慮到抗滑樁主要受彎破壞的特性。

4.1 抗滑樁傾角對抗滑效果的影響

由圖2可知,當(dāng)樁位為2/6、3/6、4/6處時,邊坡的安全系數(shù)隨樁的傾角增加呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。由圖2可以看出,當(dāng)傾角25°時,安全系數(shù)最大。當(dāng)樁位為5/6時,邊坡的安全系數(shù)最小,并且隨樁傾斜度的增加,坡面安全系數(shù)也逐漸降低,影響加固效果。這主要是由于邊坡的滑體大多位于抗滑樁的樁前,當(dāng)樁位為5/6時,抗滑樁對邊坡的支護效果迅速降低。

圖2 邊坡安全系數(shù)與抗滑樁傾角變化情況

4.2 抗滑樁傾角對邊坡支護效果影響分析

當(dāng)邊坡不穩(wěn)定時,抗滑樁將承受較大的內(nèi)力,尤其是力矩。抗滑樁所受應(yīng)力增加,會提高設(shè)計成本。因此,需要進一步研究樁傾角對抗滑樁所受內(nèi)力(尤其是力矩)的影響。

圖3中,在樁位為3/6、樁間距為樁徑3倍的垂直樁模型作為參考,分析抗滑樁傾角的變化對樁身扭轉(zhuǎn)力矩的影響。由圖3可以發(fā)現(xiàn),不同傾角的抗滑樁在樁的中部和下部具有不同的扭轉(zhuǎn)峰值。

圖3 不同工況下抗滑樁彎矩

由圖4可知,隨著樁傾角的增加,抗滑樁在傾角為-30°和60°的扭轉(zhuǎn)峰值先增大后減小,扭轉(zhuǎn)峰值的變化速度增加。當(dāng)抗滑樁的傾角為30°時,樁身達到最大彎矩,樁傾斜度的增加會導(dǎo)致樁截面在荷載作用下承受更大的彎矩。當(dāng)樁傾角超過30°時,滑坡的位移量減小,導(dǎo)致抗滑樁承受的滑動力較小,因此抗滑樁所受的內(nèi)力也相應(yīng)減小。圖4顯示,當(dāng)樁位為4/6時,抗滑樁的彎矩峰值在-30°的傾角處最小,而在樁位為2/6處時達到最大值。通過比較抗滑樁在不同工況下的彎矩峰值發(fā)現(xiàn),樁位為4/6、傾角為-30°時的抗滑樁設(shè)計效果最好,此時樁身的扭矩峰值遠小于其他工況下的扭矩峰值。因此,對于傾角為-30°的傾斜樁,應(yīng)采用4/6的樁位,可有效降低抗滑樁的內(nèi)力峰值,在保證對邊坡良好的加固效果同時,還能達到較低的設(shè)計施工成本。

圖4 抗滑樁彎矩峰值與傾角關(guān)系

4.3 豎直樁與傾斜樁對比

抗滑樁的樁間距也會影響邊坡的加固效果。當(dāng)樁間距過大時,會使土拱效應(yīng)難以形成,降低支護效果;當(dāng)樁間距過小時,則會提高經(jīng)濟成本。為研究抗滑樁合適的樁間距,取傾角為-30°、樁位4/6的邊坡模型,分析樁間距為3～7倍樁徑下的支護效果。圖5顯示,斜樁與豎樁經(jīng)過加固邊坡后,隨著樁間距的增大,減幅先快后慢,安全系數(shù)都在逐漸降低,這主要是由于樁與樁之間的土拱作用隨著樁與樁之間的距離越來越大而逐漸減弱。斜樁加固邊坡,傾角-30°的安全系數(shù)值比豎樁降低30%。

圖5 安全系數(shù)隨抗滑樁間距關(guān)系

為了分析樁間距對傾斜抗滑樁受彎狀態(tài)的影響,分別計算樁位2/6、4/6時的受力大小,并將傾斜樁樁身彎矩峰值與豎直樁同樁位對比分析,傾角-30°條件下的抗滑樁加固坡后的樁身彎矩峰值隨樁間距變化趨勢見圖6。由圖6可知,傾角-30°的抗滑樁,由于樁身的傾斜方向與滑體的下降方向相反,既受左下側(cè)滑體的下降推力,又受樁前土體的重力作用,從而在受力方面與懸臂梁差異較大,故樁身的彎矩左上部分為負(fù)、右下部分為正。此外,傾斜樁所承擔(dān)的樁身彎矩峰值的增長率,隨著樁間距的增長,比豎直樁所承受的樁身彎矩峰值的增長率要小。

圖6 彎矩峰值與樁間距關(guān)系

4.4 樁長影響邊坡穩(wěn)定性

改變抗滑樁的樁長,對樁長分別為16、12、10、8m的豎樁和斜樁進行分析,結(jié)果見表2。

表2 不同抗滑樁長與安全系數(shù)關(guān)系表

從表2可以看出,雖然相對于傾斜抗滑樁,樁長對豎樁錨固段長度的影響更為顯著,但隨著樁長的增長,豎樁和斜樁加固邊坡后的安全系數(shù)都有所增加。此外,當(dāng)樁長達到12m后,再延長樁長,邊坡安全系數(shù)增長變緩。這表明在滿足嵌固深度要求的情況下,繼續(xù)增長的樁長很難提高其加固邊坡的效果,在抗滑樁加固邊坡工程中存在有效的嵌固深度。

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬技術(shù),建立二維邊坡抗滑樁數(shù)值模型,對不同傾角的抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的影響進行研究。結(jié)論以下:

1)當(dāng)樁位為4/6時,抗滑樁的傾角在-30°時彎矩峰值最小;在樁位為2/6處時,彎矩峰值達到最大值。比較抗滑樁在不同工況下的彎矩峰值發(fā)現(xiàn),樁位為4/6、傾角為-30°時的抗滑樁加固效果最好。

2)斜樁與豎樁經(jīng)過加固邊坡后,隨著樁間距的增大,減幅先快后慢,安全系數(shù)逐漸降低,且斜樁加固邊坡,傾角-30°的安全系數(shù)值比豎樁降低30%。在樁間距一定的條件下,隨著樁長的增長,當(dāng)樁長達到12m后,邊坡安全系數(shù)增長變緩,在滿足嵌固深度要求的情況下,樁長增加對邊坡加固的效果不顯著。