組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿的豎向間距對抗滑樁影響的研究

李詠梅

(江西省上饒市萬年縣河道圩堤管護(hù)中心，江西 上饒 335500)

單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)在面臨我國復(fù)雜多樣的地質(zhì)地貌帶來的滑坡時(shí)往往無法應(yīng)對。因此，抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)運(yùn)而生，其具有治理效果好、形式靈活以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。工程人員與學(xué)者對錨桿抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)十分關(guān)注，且在抗滑樁+錨桿組合結(jié)構(gòu)上已經(jīng)取得一定的研究成果。常偉世等[1]利用數(shù)值模擬技術(shù)，對經(jīng)抗滑樁+錨桿組合支護(hù)形式支護(hù)后邊坡的水平位移、穩(wěn)定安全系數(shù)以及剪應(yīng)力區(qū)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：邊坡經(jīng)組合結(jié)構(gòu)支護(hù)后位移明顯減小、穩(wěn)定安全系數(shù)明顯提升，滿足規(guī)范的安全要求，剪應(yīng)力區(qū)被阻斷。李綿祿[2]利用有限元軟件MIDAS-Gts，建立了錨桿、錨索+抗滑樁聯(lián)合支護(hù)的高速公路的邊坡模型，對治理后邊坡位移進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：邊坡經(jīng)錨桿、錨索+抗滑樁聯(lián)合支護(hù)后總位移與水平位移均降低35%以上，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)限制邊坡位移效果明顯。姜紅斌[3]利用有限元分析軟件FLAC3D，建立了錨桿+抗滑樁的加固邊坡模型，對錨桿+抗滑樁組合結(jié)構(gòu)加固邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：組合加固結(jié)構(gòu)中，錨桿的位移與軸力的變化對應(yīng)關(guān)系清晰，說明錨桿能夠發(fā)揮其作用。舒海明等[4]結(jié)合順層邊坡工程實(shí)例，對大錨桿聯(lián)合抗滑樁在順層邊坡支擋的應(yīng)用進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：采用大錨桿聯(lián)合抗滑樁對順層邊坡進(jìn)行防護(hù)，能夠有效保障施工安全和加固作用。楊開業(yè)[5]通過理論推導(dǎo)出給定安全系數(shù)條件下的抗滑樁側(cè)有效抗力的表達(dá)式，對錨桿與抗滑樁協(xié)同作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：隨錨桿布設(shè)數(shù)量的增加，其對抗滑樁樁側(cè)有效抗力影響會增強(qiáng)。

以上研究涉及數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)對抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，同時(shí)也包含大錨桿聯(lián)合抗滑樁治理順層邊坡的研究，這些研究成果為組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究起到重要作用。然而，及錨桿豎向間距對抗滑樁影響的研究較少?；诖?，本文結(jié)合實(shí)際邊坡治理實(shí)例，利用有限元軟件MIDAS GTS，建立抗滑樁+不同豎向間距錨桿的邊坡治理模型，對組合結(jié)構(gòu)中抗滑樁的位移、內(nèi)力以及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文的研究成果可為類似邊坡治理工程中，錨桿豎向間距的選擇提供參考。

1 工程概況

邊坡工程位于山區(qū)水庫庫岸，地地勢呈現(xiàn)出東部底，西部、南部、北部地勢高，東部主要為中底山、盆地等，西部為丘陵?duì)钪猩絽^(qū)。該地氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫14～18℃，該地氣候具有無嚴(yán)寒、無酷暑的特點(diǎn)。邊坡地質(zhì)條件主要涉及的巖土層有3種，分別為層厚最小的風(fēng)化土層、最底層的中風(fēng)化巖層以及中部厚度最大的強(qiáng)風(fēng)化巖層。邊坡上部植被發(fā)育一般，坡頂和坡面無大型直立樹木，坡底主要分布著草本植物。

邊坡經(jīng)現(xiàn)場勘查與計(jì)算分析后，決定采用抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)對該邊坡進(jìn)行支護(hù)?？够瑯督孛娉叽鐬?m×3m，樁長為15m，混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋強(qiáng)度等級為HRB400，抗滑樁與巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 抗滑樁與邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

錨桿的長度均為10m，錨桿的水平間距為3m，成孔采用帶螺旋鉆桿的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，灌漿方式為全黏結(jié)式，錨桿參數(shù)見表2。

表2 錨桿參數(shù)

2 有限元模型

該邊坡左高為28m、右高為63m，長為75m，邊坡有限元模型如圖1所示。

圖1 邊坡有限元模型圖

該邊坡有限元模型采用巖土領(lǐng)域分析軟件MIDAS GTS建立，共劃分1497個(gè)節(jié)點(diǎn)與1513個(gè)網(wǎng)格，各材料有限元參數(shù)見表3。

表3 各材料有限元參數(shù)

為保證不同材料之間有良好的耦合，在不同材料接觸處共用有限元節(jié)點(diǎn)。依次為模型添加邊界條件與自重荷載，并設(shè)置與四組錨桿對應(yīng)的分析工況。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

邊坡有限元模型經(jīng)運(yùn)算求解后，得出抗滑樁+不同豎向間距錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中抗滑樁的樁身位移、內(nèi)力以及邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)，并依次對其進(jìn)行分析。

3.1 抗滑樁樁身位移分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身位移圖如圖2所示。

圖2 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身位移圖

由圖2可知，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿豎向間距對抗滑樁樁身位移有明顯的影響；隨錨桿豎向間距的增大，抗滑樁樁身位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，抗滑樁的樁身位移最小，此時(shí)樁頂位移為1.6cm；當(dāng)錨桿豎向間距為4m時(shí)，抗滑樁樁身位移最大，此時(shí)樁頂位移為3.8cm。通過上述分析可得錨桿的豎向間距過大或過小均會使抗滑樁樁身位移增大。

3.2 抗滑樁樁身內(nèi)力分析

3.2.1抗滑樁樁身彎矩分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩圖如圖3所示。

圖3 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩圖

由圖3可知，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩分布形式基本一致，均呈現(xiàn)彎矩?cái)?shù)值先增加后減小的趨勢，但抗滑樁的樁身彎矩?cái)?shù)值大小有明顯差異；當(dāng)錨桿豎向間距為2.5m時(shí)，抗滑樁樁身彎矩?cái)?shù)值明顯高于其他豎向間距錨桿下的樁身彎矩，此時(shí)樁身彎矩?cái)?shù)值最大為10110kN/m；當(dāng)錨桿豎向間距為4m時(shí)的抗滑樁樁身彎矩?cái)?shù)值較其他豎向間距錨桿下的樁身彎矩??；不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩?cái)?shù)值最大時(shí)，抗滑樁的埋深均為10.7m；隨錨桿豎向間距的增加，抗滑樁的樁身彎矩大小逐漸減小。

3.2.2抗滑樁樁身剪力分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力圖如圖4所示。

圖4 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力圖

由圖4可知，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力整體形式差異不明顯，差異明顯的是在剪力數(shù)值以及趨勢的變化上；在埋深5～7m之間，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力開始減小，但減小幅度不大；當(dāng)錨桿豎向間距為2.5m時(shí)，抗滑樁樁身剪力數(shù)值明顯高于其他豎向間距錨桿下的樁身剪力，樁身最大正剪力的數(shù)值為1606kN，樁身最大負(fù)剪力的數(shù)值為3519kN；當(dāng)錨桿豎向間距為4m時(shí)的抗滑樁樁身剪力數(shù)值較其他豎向間距錨桿下的樁身剪力小；隨錨桿豎向間距的增加，抗滑樁的樁身剪力大小逐漸減?。辉诼裆?0～12m之間，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力方向均發(fā)生變化。

3.2.3抗滑樁樁身軸力分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身軸力圖如圖5所示。

圖5 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身軸力圖

由圖5可知，當(dāng)埋深在3～6m的范圍內(nèi)，抗滑樁的軸力會出現(xiàn)負(fù)值；在埋深0～8m之間，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的軸力基本相同；在抗滑樁埋深較大時(shí)，豎向間距為3.5m錨桿下的抗滑樁軸力最小；錨桿豎向間距為2.5與3.5m時(shí)，抗滑樁的底部軸力會發(fā)生減小的變化趨勢。

綜上所述，抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿的豎向間距對抗滑樁樁身內(nèi)力有明顯的影響；隨錨桿豎向間距的增大，抗滑樁的樁身彎矩與剪力數(shù)值大小均減小，原因是由于錨桿豎向間距增加使錨桿為抗滑樁分擔(dān)更多的滑坡推力；在潛在滑動面以上部分的抗滑樁樁身軸力基本相同，錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，潛在滑動面以下部分抗滑樁的軸力最小。

3.3 邊坡穩(wěn)性分析

3.3.1天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性分析

天然狀態(tài)下邊坡的水平位移云圖如圖6所示。天然狀態(tài)下邊坡的塑性應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖6 天然狀態(tài)下邊坡的水平位移云圖

圖7 天然狀態(tài)下邊坡的塑性應(yīng)變云圖

由圖6可知，天然狀態(tài)下邊坡的水平位移較大，不滿足規(guī)范20mm的安全限值；邊坡水平位移主要集中于風(fēng)化土區(qū)域。由圖7可知，邊坡在天然狀態(tài)下存在貫通的潛在滑動面，天然狀態(tài)下的邊坡十分不穩(wěn)定；邊坡塑性應(yīng)變的集中區(qū)域在風(fēng)化土與強(qiáng)風(fēng)化巖的交界面附近。通過上述天然狀態(tài)下的分析可以體現(xiàn)出采用抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)對該邊坡進(jìn)行加固的必要性[6]。

3.3.2支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性分析

不同工況下邊坡的最大水平位移與穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

表4 不同工況下邊坡的最大水平位移與穩(wěn)定安全系數(shù)

由表4可知，錨桿的豎向間距對組合結(jié)構(gòu)支護(hù)邊坡的穩(wěn)定性有明顯影響，當(dāng)抗滑樁+豎向間距為3.5m錨桿加固工況下，邊坡的最大水平位移降低最為顯著，最大水平位移較天然狀態(tài)工況降低了70.8%，此時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)最大，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.40，較天然狀態(tài)工況下提升了34.6%；隨錨桿豎向間距的增加，邊坡最大水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬技術(shù)，對錨桿豎向間距對抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中抗滑樁的影響進(jìn)行研究，可得出以下結(jié)論。

(1)隨錨桿豎向間距的增大，組合結(jié)構(gòu)中抗滑樁樁身位移先減小后增大；當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，抗滑樁樁身位移最小，此時(shí)抗滑樁樁頂位移為1.6cm。

(2)抗滑樁樁身彎矩與剪力的數(shù)值大小隨錨桿豎向間距的增大而減??；錨桿豎向間距對抗滑樁軸力的影響規(guī)律并不明顯，當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，抗滑樁底部的軸力最小。

(3)錨桿豎向間距對邊坡穩(wěn)定性有明顯的影響，隨錨桿豎向間距的增大，邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提升最明顯，穩(wěn)定安全系數(shù)提升了34.6%。

(4)本文只針對抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿對抗滑樁的影響進(jìn)行研究，關(guān)于組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中抗滑樁的參數(shù)對錨桿的影響有待深入探究。