抗滑樁加固高邊坡受力特征影響因素分析

張桂芹

（山東智行咨詢勘察設(shè)計(jì)院，山東 德州 253000）

0 引言

滑坡作為一種全球性的重大地質(zhì)災(zāi)害常造成巨大的社會(huì)影響。抗滑樁是滑坡治理手段中最為有效和合理的手段之一。抗滑樁在滑坡災(zāi)害治理中，樁體的截面尺寸、截面形式以及布樁位置是決定抗滑樁安全可靠的主要影響因素。因此如何對(duì)抗滑樁進(jìn)行合理設(shè)計(jì)也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。馬輝和廖小平[1]基于理論推導(dǎo)，研究并提出了兩種新型抗滑樁結(jié)構(gòu)的受力特征，采用工程實(shí)例驗(yàn)證了結(jié)論的可行性，研究成果可為相似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。王茂琿等[2]基于FLAC3D 手段研究了梯形抗滑樁截面?zhèn)冉堑耐凉靶?yīng)，提出了合理的樁截面?zhèn)冉堑娜≈捣秶⑦M(jìn)一步采用工程實(shí)例驗(yàn)證了梯形抗滑樁的合理布置形式。汪浩等[3]采用有限元方法，研究了錨拉抗滑樁的受力性能，并給出了樁身截面尺寸對(duì)樁體的受力影響，保證了抗滑樁加固邊坡的有效性。杜兆萌和肖世國(guó)[4]采用理論解析的手段研究了加固膨脹土邊坡的單排抗滑樁受力性能。結(jié)果表明，考慮土體的膨脹力時(shí)，樁身剪力計(jì)算值會(huì)顯著增大，且剪力與膨脹力呈正比；反之，如果不考慮膨脹力剪力約降低80%～90%。彭瑜等[5]基于室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究了梯形斷面豎向預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的受力性能。結(jié)果表明，其他條件不變的情況下，梯形抗滑樁的受力性能和破壞形態(tài)均優(yōu)于矩形抗滑樁。趙軍等[6]基于強(qiáng)度折減法研究了多排抗滑樁在大型滑坡治理中的受力特征。結(jié)果表明，對(duì)于滑面較長(zhǎng)和下滑力較大的滑坡治理中，多排抗滑樁加固效果明顯比單排樁更優(yōu)，多排樁可大大改善樁的受力性能，確保邊坡穩(wěn)定。李家平等[7]基于瑞典法和Bishop 法分析抗滑樁加固邊坡效果。提出了治理所需的最小抗滑力的計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上給出了抗滑樁的合理設(shè)計(jì)模型。王旋等[8]基于物理模型試驗(yàn)研究了滑坡- 抗滑樁位移場(chǎng)變化特征。結(jié)果表明，降雨和庫(kù)水位波動(dòng)是影響水庫(kù)滑坡位移場(chǎng)變化的2 個(gè)主要因素。刁海珠[9]基于FLAC3D研究了樁位、樁長(zhǎng)對(duì)于抗滑樁的加固效果。結(jié)果表明，樁位越靠近邊坡中部，加固效果最好，此外，在一定范圍內(nèi)，邊坡的穩(wěn)定性隨樁長(zhǎng)的增大而提高。

本該基于數(shù)值模擬研究了抗滑樁應(yīng)用于邊坡治理中樁的受力性能，考慮了樁徑、樁嵌固端長(zhǎng)度和樁位3 個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)樁身內(nèi)力分布影響。本文的研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，省際間的經(jīng)濟(jì)交流與合作將更加密切，現(xiàn)狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)已不能滿足因經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而大幅增長(zhǎng)的交通量的需求。目前G240 河北省境內(nèi)全線已貫穿通車，山東省境內(nèi)無(wú)高等級(jí)道路與之連接，已成為省際路網(wǎng)中的“斷頭路”。為此，開(kāi)展G240 保臺(tái)線武城縣魯冀界至楊官屯段改建工程。項(xiàng)目全長(zhǎng)為24.150 km，包括新建段長(zhǎng)16.269 km，加鋪罩面段長(zhǎng)5.376 km，路面改造段長(zhǎng)2.505 km；四車道路段路面寬22 m，路基寬24.5、25.5 m ，六車道路段路面寬30 m，路基寬32.5 m；全線路基土方948.025 km3；地下排水設(shè)施6.84 km（單側(cè)）；瀝青路面627.431 km2；中橋173.28 m/4 座，小橋163.64 m/6 座；涵洞64 道（新建56 道、拆除重建3 道、接長(zhǎng)利用2 道、原涵利用3道）；利用分離立交1 處，平面交叉17 處，停車區(qū)1處；監(jiān)控設(shè)施9 套，非現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)法設(shè)備1 套，交調(diào)設(shè)施3套。施工中路段高邊坡受強(qiáng)降雨影響，發(fā)現(xiàn)邊坡后緣出現(xiàn)多條拉張裂縫，并呈擴(kuò)展趨勢(shì)，采用抗滑樁進(jìn)行處理。

2 模型建立及分析方法

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

基于ABAQUS 數(shù)值模擬建立計(jì)算模型，采用平面應(yīng)變進(jìn)行簡(jiǎn)化。模型邊界為：左右兩側(cè)約束水平方向位移，底部為固定約束，頂部為自由邊界。其中邊坡總寬度為82 m，左側(cè)高度為24 m，右側(cè)高度為47 m，坡度為1∶1.35。模型見(jiàn)圖1。

圖1 滑坡數(shù)值模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

邊坡主要由碎石土土構(gòu)成，滑坡土體及抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。抗滑樁與土體的接觸為：法向采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)，切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.40。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 樁徑的影響

圖2 匯總得到了樁徑分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m 情況下，樁身彎矩隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。結(jié)果表明，在保持樁長(zhǎng)不變的情況下，樁身彎矩隨樁長(zhǎng)先增大后減小。在樁長(zhǎng)15 m 的時(shí)候，樁身彎矩達(dá)到最大值。當(dāng)樁徑為2.5 m 時(shí)，最大彎矩為17000 kN·m。但當(dāng)樁徑較小時(shí)，樁身出現(xiàn)多個(gè)反彎點(diǎn)。

圖2 不同樁徑下樁身彎矩隨樁長(zhǎng)變化

圖3 為不同樁徑下樁身剪力隨樁長(zhǎng)變化，建剪力的變化規(guī)律與彎矩變化基本一致，隨樁徑增大，反彎點(diǎn)個(gè)數(shù)減少。圖4 為抗滑樁布置后，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨著樁徑的增大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，但穩(wěn)定系數(shù)增大的速率逐漸趨于平緩，最終趨于1.0。因此增大抗滑樁直徑對(duì)于邊坡的加固效果是有利的。

圖3 不同樁徑下樁身剪力隨樁長(zhǎng)變化

圖4 不同樁徑下樁身邊坡穩(wěn)定系數(shù)

3.2 嵌固層深度的影響

為了進(jìn)一步研究嵌固段深度對(duì)抗滑樁加固效果的影響，本文以樁徑為2.0 m 為例，計(jì)算了嵌固段深度分別為3 m、6 m 和8 m 時(shí)，抗滑樁樁身彎矩、剪力以及樁身位移的分布規(guī)律。

圖5 和圖6 為不同嵌固段下樁身彎矩和剪力隨樁長(zhǎng)變化。結(jié)果表明，樁身彎矩以及剪力在嵌固段為8 m 時(shí)處于最大值，3 m 時(shí)處于次大，而當(dāng)抗滑樁嵌固段深度為6 m 時(shí)，樁身彎矩、剪力以及位移均為最小。彎矩最大值為11000 kN·m，剪力最大值為1200 kN。從該角度來(lái)看，嵌固段深度取6 m 較為合理。

圖5 不同嵌固段下樁身彎矩隨樁長(zhǎng)變化

圖6 不同嵌固段下樁身剪力隨樁長(zhǎng)變化

圖7 為樁身位移隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。當(dāng)嵌固段為8 m 時(shí)，樁頂處的位移為1.6 mm、嵌固段為3 m 時(shí)，樁頂處位移為0.8 mm，嵌固段為6 m 時(shí)，樁頂位移為0.4。整體來(lái)看，樁頂位移都比較小，抗滑樁治理效果顯著。

圖7 不同嵌固段下樁身位移隨樁長(zhǎng)變化

圖8 樁位布置圖

3.3 樁位的影響

為研究抗滑樁樁位對(duì)樁身的內(nèi)力分布影響，本文分別計(jì)算了抗滑樁距坡趾水平距離與總體水平投影長(zhǎng)度之比分別為0.2、0.5 和0.8 的工況下，樁的內(nèi)力隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。

圖9 為不同樁位下樁身彎矩隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。結(jié)果表明，不同Q 值下，彎矩隨樁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)基本一致，均呈先增大后減小的趨勢(shì)。其中當(dāng)Q=0.8 時(shí)彎矩最大，其最大值為1100 kN·m。Q=0.2 時(shí)彎矩最小，其最小值為5000 kN·m。

圖9 不同樁位下樁身彎矩隨樁長(zhǎng)變化

圖10 為不同樁位下樁身剪力隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。結(jié)果表明，不同Q 值下，剪力隨樁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)基本一致。不同的Q 值對(duì)剪力的影響比對(duì)彎矩的影響更小。也表現(xiàn)出Q 值的越大對(duì)剪力的影響越明顯。

圖10 不同樁位下樁身剪力隨樁長(zhǎng)變化

圖11 為樁的水平位移隨樁長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，Q=0.8 m 時(shí)，樁頂處產(chǎn)生最大位移，其值為1.5 mm，Q=0.2 時(shí)，樁頂產(chǎn)生最小值，其值為0.5 mm。

圖11 不同樁位下樁身位移隨樁長(zhǎng)變化

總之當(dāng)Q 值較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁較長(zhǎng)，剛度較小，因此在土壓力以及滑坡推力的作用下產(chǎn)生較大的樁身內(nèi)力和位移。因此，短樁相對(duì)長(zhǎng)樁而言，其受力性能更優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文采用數(shù)值模擬手段討論了抗滑樁在加固邊坡時(shí)，樁身的內(nèi)力分布，得到以下結(jié)論：

（1）樁身彎矩和剪力與樁徑呈正相關(guān)關(guān)系；抗滑樁能夠顯著提高邊坡的穩(wěn)定性。此外增大樁的直徑更有利于邊坡的穩(wěn)定性。

（2）抗滑樁的嵌固段深度對(duì)樁的內(nèi)力分布也會(huì)產(chǎn)生影響。具體來(lái)看，樁身彎矩以及剪力在嵌固段為8 m 時(shí)處于最大值，3 m 時(shí)次之，嵌固段深度為6 m時(shí)最小，但增大嵌固段長(zhǎng)度可以減小樁頂位移。

（3）樁位對(duì)于樁身的內(nèi)力影響表現(xiàn)在，樁位越靠近坡趾，樁體的內(nèi)力以及樁頂位移越小。因此在實(shí)際抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮樁的內(nèi)力分布和樁頂位移。