復合地層下h型抗滑樁的受力特性及樁間距影響研究

姚偉懸

(江西省水務(wù)集團有限公司，江西 南昌 330201)

抗滑樁是目前在邊坡加固領(lǐng)域應(yīng)用較廣的一種支護措施，其結(jié)構(gòu)受力特性及樁間距選擇是影響其支護效果的關(guān)鍵因素。徐文剛等[1]通過有限差分軟件研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗滑樁穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：彈性模量、耦合彈簧切向參數(shù)對樁身影響較小，而抗剪強度參數(shù)是影響抗滑樁支護效果的重要指標，邊坡穩(wěn)定性與參數(shù)取值呈正比。侯小強等[2]基于滑坡推力梯形分布的特點，提出了鋸齒形抗滑樁的受力計算方程，對比分析了其力學特性。研究表明：抗滑樁剪力、彎矩與滑面傾角呈正比關(guān)系，滑面傾角為40°時，錨固段的理論最小長度為峰值，相比于其他形式抗滑樁，支護穩(wěn)定性較好。王龍等[3]基于擬動力原理，研究了設(shè)置參數(shù)對抗滑樁加固邊坡的影響。研究結(jié)果表明：邊坡內(nèi)基質(zhì)吸力是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，當樁間距小于等于4m時抗滑樁設(shè)置在邊坡中上部時，支護效果最佳。鄧友生等[4]采用數(shù)值模擬及模型試驗的方法，研究了弧形抗滑樁結(jié)構(gòu)參數(shù)對支護效果的影響。結(jié)果表明：冠梁是影響抗滑樁受力的關(guān)鍵因素，實際工程中應(yīng)將抗滑樁設(shè)置在坡腳處，此時邊坡穩(wěn)定性最高。張海洋等[5]基于Euler-Bernoulli梁理論，提出了新型的抗滑樁受力計算模型，并基于實際工程案例驗證了計算過程可控制在數(shù)秒內(nèi)。

總結(jié)前人研究可知，目前針對h型抗滑樁的研究相對較少，而考慮其樁間距對邊坡加固影響的研究亦較為缺乏。基于此，本文研究以某水庫邊坡為例，采用Flac3d有限差分軟件模擬了不同樁間距對h型抗滑樁支護效果的影響，從剪力、彎矩和位移等多個角度分析了抗滑樁的受力特性。研究結(jié)果可為h型抗滑樁的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考價值。

1 工程概況

1.1 邊坡概況

本文研究以某水庫邊坡為研究對象，如圖1所示，邊坡模型尺寸為90m×2m×45m，邊坡上層以中風化泥巖為主，下伏弱風化砂巖。泥巖外觀為紫紅色，巖質(zhì)較軟，易風化剝落和遇水崩解；砂巖多為長石石英砂巖，淺灰、紫紅色，中-細粒結(jié)構(gòu)，質(zhì)稍硬。而邊坡中間含有一層厚度約為1m的軟弱夾層，巖體風化呈土狀。采用Flac 3D進行建模后，模型中共有16458個節(jié)點，13458個網(wǎng)格單元，模型底面全約束，左右邊界采用法向約束，坡面為自由約束。如圖1所示。

圖1 邊坡示意圖

1.2 數(shù)值模擬參數(shù)取值

為確保文本研究符合實際情況，邊坡模型參數(shù)設(shè)置與實際模型一樣，再根據(jù)野外地勘資料及室內(nèi)泥巖、砂巖及軟弱夾層的物理力學試驗，確定邊坡材料參數(shù)，邊坡的主要物質(zhì)組成的物理力學參數(shù)見表1。

表1 邊坡物質(zhì)組成物理力學參數(shù)表

本文研究中，采用截面尺寸(b×h)為1.5m×2m，連梁長度為4m的h型抗滑樁進行支護，前樁以及后樁長度均為18m。抗滑樁容重為2.5×103kg/m3，體積模量為1.45×1010Pa，剪切模量為1.15×1010Pa。h型抗滑樁施工時，前樁與后樁同時施工，樁孔開挖后，隨即進行連梁以下部分鋼筋綁扎與澆筑，再對連梁與后排樁懸臂段進行支模板、綁扎鋼筋、澆筑。

模型中抗滑樁單元與巖土體的接觸面的參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，本文根據(jù)前人研究經(jīng)驗以及Flac3d手冊，將抗滑樁與巖土體之間的接觸面的黏聚力和摩擦角設(shè)置為其附近材料抗剪強度的0.75倍。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 h型抗滑樁支護前后邊坡穩(wěn)定性分析

如圖2所示，邊坡在天然工況下將出現(xiàn)明顯滑面，最大剪應(yīng)變增量位于滑面底部，即邊坡坡腳附近，數(shù)值達到0.134，說明邊坡貫通面已經(jīng)生成，需要采取相應(yīng)的支護措施。圖3為采用h型抗滑樁進行支護后的最大剪應(yīng)變增量圖，可以看出，邊坡剪應(yīng)變增量得到有效限制，最大剪應(yīng)變增量僅為0.075，位于h型抗滑樁附近，表明邊坡穩(wěn)定性得到有效提高，此時邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。進一步觀察邊坡發(fā)生最大剪應(yīng)變的位置可知，h型抗滑樁周圍的泥巖剪應(yīng)變增量最大，說明抗滑樁在支護邊坡時，通過抵抗邊坡剩余下滑力，集中作用于周圍巖體，引起周圍巖體產(chǎn)生較大剪應(yīng)變[6-8]。

圖2 天然工況下最大剪應(yīng)力增量

圖3 h型抗滑樁支護后邊坡最大剪應(yīng)變增量

進一步分析天然工況下邊坡的位移特性，邊坡整體位移如圖4所示，邊坡的中風化泥巖區(qū)域出現(xiàn)較大位移，最大位移點位在邊坡坡腳，數(shù)值約為180mm，已超過邊坡最大允許位移10mm，說明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在采用h型抗滑樁進行支護后，邊坡整體位移得到有效約束，最大位移僅為3.75mm，說明h型抗滑樁對約束邊坡整體位移起著關(guān)鍵作用。需要注意的是，采用抗滑樁支護后，邊坡最大位移點位發(fā)生了改變，從坡腳轉(zhuǎn)移至坡頂，這是因為抗滑樁在支護邊坡的同時，提高了抗滑樁附近巖土體的穩(wěn)定性，在工程中該現(xiàn)象應(yīng)引起重視。

圖4 天然工況下邊坡整體位移

圖5 h型抗滑樁支護后邊坡整體位移

2.2 h型抗滑樁受力及位移分析

分析支護結(jié)構(gòu)的受力及位移特性有利于研究邊坡與結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系。如圖6所示，h型抗滑樁水平應(yīng)力范圍2.5×104～3.12×105Pa，最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在h型抗滑樁的右上拐角以及左下拐角處，說明抗滑樁在邊坡推力的作用下，后樁頂部有發(fā)生變形破壞的可能，而抗滑樁其余位置應(yīng)力均較小，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 h型抗滑樁水平應(yīng)力

如圖7所示，h型抗滑樁水平位移范圍在7.5×10-3～3.75×10-2m，整體呈現(xiàn)從抗滑樁底部至頂部位移逐漸增大的趨勢，產(chǎn)生這一規(guī)律的原因是抗滑樁底部與基巖相嵌，底部受約束應(yīng)力較大，而抗滑樁頂部抵抗變形能力較差，因此頂部位移最大，應(yīng)重點監(jiān)測抗滑樁頂部位移及應(yīng)力，防止加固措施失效。

圖7 h型抗滑樁水平位移

2.3 h型抗滑樁前后樁彎矩分析

由前文研究可知，h型抗滑樁后樁是主要受力段，關(guān)注其彎矩沿深度變化規(guī)律對工程設(shè)計具有重要意義，如圖8所示，后樁彎矩趨勢圖共有3個反彎點，分別位于4.8、5.2、18m深度，其中最大彎矩點位位于18m深度。前樁彎矩如圖9所示，其彎矩變化趨勢較為簡單，僅有一個反彎點，位于12m深度，其上部結(jié)構(gòu)主要受土壓力作用，而下部結(jié)構(gòu)主要受拉力作用。

圖8 h型抗滑樁后排樁彎矩

圖9 h型抗滑樁前排樁水平位移

2.4 樁間距(前后樁)影響下的邊坡穩(wěn)定分析

實際工程中，選用合適的樁間距進行邊坡支護既能有效約束邊坡滑動，亦能降低工程成本，起低碳環(huán)保效果。本研究設(shè)置了不同樁間距下的邊坡模型，結(jié)果見表2，在不采用h型抗滑樁的天然工況下，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)僅為1.02，邊坡最大總位移達到180mm，最大有效塑形面積為2.01，說明此工況下，邊坡處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，需要采取相應(yīng)的支護措施進行加固。當采用樁間距為10m的支護方式進行加固后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到為1.52，增加了約50%，邊坡最大總位移僅為4mm，減小了約97%，小于工程最大允許值10mm，最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.552，減小了約75%，說明采用10m樁間距的h型抗滑樁進行支護能夠有效保障邊坡安全。

表2 不同樁間距下的邊坡的各項指標

盡管樁間距為10m時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但不難看出，采用10m樁間距進行支護造成了一定的工程材料浪費。實際上，當采用4m的支護方式進行加固后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達到為1.31，相較于天然工程增加了約28%，邊坡最大總位移僅為4mm，減小了約95%，小于工程最大允許值10mm，最大有效塑性應(yīng)變?yōu)?.73，減小了約64%。綜合分析邊坡的3項指標來看，采用4m的h型抗滑樁間距時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)得到了明顯增大，最大總位移與有效塑性應(yīng)變均有顯著下降，在綜合考慮邊坡治理效果以及材料成本的條件下，選用4m間距的h型抗滑樁最適用于該邊坡。

3 結(jié)語

為研究復合地層下h型抗滑樁的支護效果及受力特性，本文以某邊坡為例，采用Flac 3D軟件模擬抗滑樁的受力特性。得到以下結(jié)論：

(1)邊坡在天然工況下出現(xiàn)明顯滑面，最大剪應(yīng)變增量位于坡腳附近，采用h型抗滑樁進行支護后，邊坡穩(wěn)定性得到有效提高。

(2)h型抗滑樁水平應(yīng)力范圍2.5×104～3.12×105Pa，最大水平應(yīng)力出現(xiàn)在h型抗滑樁的右上拐角及左下拐角處。后樁頂部有發(fā)生變形破壞的可能，抗滑樁其余位置應(yīng)力均較小，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。水平位移呈現(xiàn)從抗滑樁底部至頂部位移逐漸增大的趨勢。應(yīng)重點監(jiān)測抗滑樁頂部位移及應(yīng)力，防止加固措施失效。

(3)綜合分析邊坡的三項指標，采用4m的h型抗滑樁間距進行支護時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)得到了明顯增大，最大總位移與有效塑性應(yīng)變均有顯著下降。