抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)中抗滑樁參數(shù)的影響分析

范學(xué)友

(粵水電建筑安裝建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511300)

0 引言

滑坡是一種規(guī)模性大、分布廣泛以及危害性大的地質(zhì)災(zāi)害。在滑坡治理與預(yù)防方面，主要采用的方式有抗滑樁、格構(gòu)、錨桿與錨索等方式，抗滑樁+錨桿治理方案因其優(yōu)勢明顯得到廣泛的實際應(yīng)用。當(dāng)前，學(xué)者們對抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)進行了大量的研究。姜紅斌[1]利用有限元軟件FLAC-3D，對錨桿抗滑樁加固邊坡進行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：邊坡經(jīng)加固后，位移滿足要求，錨桿的位移與其受力的關(guān)系對應(yīng)。魏小佳[2]結(jié)合實例順層邊坡項目，利用現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，對順層巖質(zhì)邊坡分級組合支擋體系進行了研究，研究結(jié)果表明：放坡+格構(gòu)錨索(錨桿)+抗滑樁組合支護體系支護邊坡效果顯著，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足要求。張濤等[3]通過加固邊坡的模型實驗，對錨桿抗滑樁與普通抗滑樁加固黃土滑坡進行對比試驗研究，研究結(jié)果表明：在加固黃土滑坡中，錨桿抗滑樁樁樁身彎矩與土體抗力分布相對普通抗滑樁更加均勻。黃士奎等[4]結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)與坡面位移監(jiān)測，對預(yù)應(yīng)力錨桿抗滑樁支護邊坡的地震響應(yīng)進行分析，分析結(jié)果表明：地震作用下，邊坡坡面最大水平位移發(fā)生在其中下部，抗滑樁樁身彎矩呈現(xiàn)“S”型，樁身剪力呈現(xiàn)倒“S”型。

上述研究從不同角度，采用不同方式對抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)進行了研究，研究成果對其實際應(yīng)用具有重要意義。為理清抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)中，抗滑樁參數(shù)的影響，本文結(jié)合實例邊坡治理工程，利用數(shù)值模擬技術(shù)，對組合支護結(jié)構(gòu)中抗滑樁的截面寬度、截面高度、樁長對其自身位移與內(nèi)力、錨桿的軸力以及邊坡治理效果的影響進行研究。

1 工程概況

某邊坡工程巖土體主要為風(fēng)化土、風(fēng)化巖以及軟巖。各巖土層均為全場地分布，但各巖土層層厚不一，同巖土層不同位置層厚也有明顯差異。風(fēng)化土最大層厚為8.1m、風(fēng)化巖最大層厚為28.4m、軟巖最大層厚為20.6m，邊坡各巖土體與支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 邊坡巖土體與支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

對該邊坡進行現(xiàn)場勘測與計算分析后，決定采用抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)進行支護。抗滑樁采用C30強度等級的混凝土進行澆筑，鋼筋強度等級為HRB400。錨桿的水平間距為3.5m，豎向間距為3m，長度為12m，錨筋的直徑為20mm，成孔方式為帶螺旋鉆桿的回轉(zhuǎn)鉆機成孔。對不同抗滑樁參數(shù)進行分組，分組結(jié)果如表2所示。值得說明的是，A類分組為抗滑樁截面寬度影響的探究、B類分組為抗滑樁截面高度影響的探究、C類分組為抗滑樁樁長影響的探究。

表2 不同抗滑樁參數(shù)分組

2 有限元模型的建立

邊坡模型采用巖土領(lǐng)域有限元分析軟件MIDAS GTS進行建立，邊坡巖土體本構(gòu)模型為摩爾庫倫，抗滑樁與錨桿本構(gòu)模型為彈性，實例邊坡有限元模型如圖1所示。風(fēng)化土與風(fēng)化巖網(wǎng)格劃分基本尺寸為1.5m，軟巖網(wǎng)格劃分基本尺寸為3m。不同材料網(wǎng)格接觸處共用有限元節(jié)點，保證其受力的連續(xù)與均勻。在設(shè)置分析工況前，對模型施加重力荷載與邊界約束。分析工況為天然工況與表3中不同分組抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)支護工況。

圖1 實例邊坡有限元模型圖

表3 不同抗滑樁截面寬度下組合支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 邊坡天然工況下的分析

天然工況下邊坡等效塑性應(yīng)變云圖如圖2所示。由圖2可知，邊坡在天然工況下，等效塑性應(yīng)變明顯，等效塑性應(yīng)變在風(fēng)化土與風(fēng)化巖交界處具有一定寬度，且越靠近交界線與坡腳等效塑性應(yīng)變越明顯；邊坡在天然工況下，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05，不滿足工程安全的要求，且極限狀態(tài)下潛在滑動面貫通，邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2 天然工況下邊坡等效塑性應(yīng)變云圖

天然工況下邊坡位移云圖如圖3所示。由圖3可知，邊坡在天然工況下，其位移較為明顯，發(fā)生位移的主要區(qū)域為坡面附近的風(fēng)化土區(qū)域；天然工況下，邊坡的最大位移發(fā)生在靠近坡腳的坡面上，最大位移為27mm，不滿足規(guī)范要求的20mm的限值。結(jié)合天然工況下邊坡等效塑性應(yīng)變與位移的分析可知，該邊坡的確需要采取一定的支護措施。

圖3 天然工況下邊坡位移云圖

3.2 抗滑樁截面寬度影響的分析

不同抗滑樁截面寬度下組合支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)如表3所示。由表3可知，隨抗滑樁截面寬度的增加，抗滑樁樁頂位移在隨之減小，抗滑樁樁身最大彎矩與最大剪力隨之增大，錨桿最大軸力隨之減小。造成上述現(xiàn)象的原因主要是因為抗滑樁截面寬度的增大，會使抗滑樁抵抗滑坡推力的能力增強，在組合結(jié)構(gòu)中抗滑樁能夠承擔(dān)更大滑坡推力，從而造成其樁身內(nèi)力增大，錨桿最大軸力減小。由表3還可知，抗滑樁樁身最大彎矩的增速較速較樁身最大剪力的增速要大[5-7]。

抗滑樁截面寬度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大位移影響如表4所示。由表4可得，不同截面寬度抗滑樁+錨桿支護后，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)得到明顯的提升，邊坡的最大位移得到限制，且隨抗滑樁截面寬度的增加，穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸升高，邊坡最大位移逐漸降低。

表4 抗滑樁截面寬度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大位移影響

3.3 抗滑樁截面高度影響的分析

不同抗滑樁截面高度下組合支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)如表5所示。由表5可得，隨抗滑樁截面高度的增加，抗滑樁樁頂位移在隨之減小，抗滑樁樁身最大彎矩與最大剪力隨之增大，錨桿最大軸力隨之減小。造成上述現(xiàn)象的原因與抗滑樁截面寬度的相同，但兩者的影響程度不同，抗滑樁截面高度影響的程度較截面寬度的影響更大。抗滑樁截面寬度與高度的影響程度不同，主要是因為截面寬度和高度對截面慣性矩的影響程度不同而造成的，截面高度對截面慣性矩的影響更大。

表5 不同抗滑樁截面高度下組合支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)

抗滑樁截面高度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大位移影響如表6所示。由表6可得，隨截面抗滑樁截面高度的增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸升高，邊坡最大位移逐漸降低；不同截面高度抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)支護后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較天然工況下均提升24.7%以上，邊坡最大位移較天然工況均降低51.8%以上。

表6 抗滑樁截面高度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大位移影響

3.4 抗滑樁樁長影響的分析

不同抗滑樁樁長下組合支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)如表7所示。由表7可得，隨抗滑樁樁長的增加，抗滑樁樁頂位移在隨之減小，抗滑樁樁身最大彎矩與最大剪力隨之增大，錨桿最大軸力隨之減小；當(dāng)抗滑樁樁長小于18m時，樁長的變化對樁頂位移、抗滑樁內(nèi)力、錨桿內(nèi)力的影響較為明顯；當(dāng)抗滑樁樁長大于18m時，樁長的變化的影響較小。通過分析可知，樁長達到一定長度時，再增加樁長的意義就不大了。

表7 不同抗滑樁樁長下組合支護結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)

抗滑樁樁長對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大位移影響如表8所示。由表8可得，隨截面抗滑樁樁長的增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸升高，邊坡最大位移逐漸降低；不同樁長抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)支護后，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較天然工況下均提升23.8%以上，邊坡最大位移較天然工況均降低44.4%以上；當(dāng)抗滑樁樁長小于18m時，樁長的變化對邊坡穩(wěn)定性的影響較為明顯；當(dāng)抗滑樁樁長大于18m時，樁長的變化對邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

表8 抗滑樁樁對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與最大位移影響

4 結(jié)論

本文結(jié)合實例邊坡工程，利用數(shù)值模擬軟件對抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)中抗滑樁參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性影響進行研究，得到以下結(jié)論。

(1)抗滑樁+錨桿組合支護結(jié)構(gòu)治理邊坡效果顯著，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)均提升23.8%以上，最大位移均降低44.4%以上。

(2)組合支護結(jié)構(gòu)中抗滑樁參數(shù)對邊坡治理效果有顯著影響，截面高度比寬度影響更明顯，當(dāng)超過此樁長限值時，樁長的影響較小。

(3)綜合考慮工程造價、及邊坡治理效果，本工程推薦的抗滑樁截面寬度為2.5m，截面高度為3.5m，樁長為18m。

(4)巖土參數(shù)取值及計算軟件等選取對結(jié)果均有較大影響，研究結(jié)果仍需經(jīng)過進一步分析論證。