微型鋼管群樁抗滑特性的影響因素分析

摘 要：利用三維有限元軟件對某微型鋼管群樁加固土質邊坡的現場試驗進行模擬，研究不同結構設計參數和樁周巖土體參數對群樁抗滑特性的影響。結果表明：樁間距對排樁的影響最大。合理的排間距會加強樁土復合作用，使得排樁更好的發揮抗滑的效能。E值是對樁頂位移影響最大的因素，c值對位移的影響處于E與φ之間樁頂位移隨c值增大呈線性減小。樁頂位移隨φ值先呈線性遞減關系，然后趨于平穩。樁頂位移與E值呈反比例關系。

關鍵詞：邊坡工程；三維有限元；微型鋼管樁；群樁；抗滑特性；影響因素

小直徑鋼管樁是預成孔插入或輕型機械打入帶孔的小直徑空心鋼管，并在平面上布設成一定形狀，再向管內高壓灌注水泥砂漿。注漿壓力作用下，水泥砂漿在滑動面處可以擴散到很大的范圍，漿液凝固后，使滑動面附近土體形成“水泥土”，使滑動帶土層的性質得到改善。同時，由于漿液的滲透性，將滑體和滑面下穩定巖、土層粘聚形成一個擴散的復合體，從而改善了滑面處土體的抗滑作用[1]。具有比同直徑的普通抗滑樁抗彎強度高數倍；抗傾覆力強；布樁形式靈活多變；加固見效快；壓力注漿具有多種效果；施工迅速安全；施工時對邊坡擾動小；適應性強；施工費用較低等優點[2]。本文結合四川某地區鋼管排樁現場試驗實測，采用巖土有限元分析軟件plaxis對現場試驗進行數值模擬。

1 有限元計算模型

為保證計算精度，樁周圍土應該有足夠大的范圍。本模型的幾何尺寸為：長×寬×深=157m×50m×80m。樁頂通過貫梁將樁聯系起來，使整個微型鋼管樁體系和樁間巖土體作為一個整體結構進行工作。

模型中包括滑體、滑帶、滑床、小直徑鋼管排樁結構及模擬堆載區的荷載。其土層依次為滑體（含塊石黏土）、滑帶（低塑性粘土）、滑床（弱風化泥巖）。巖土體材料按彈塑性材料考慮，均服從莫爾-庫倫屈服準則；小直徑鋼管排樁結構均視為線彈性材料，鋼管樁采用embedded pile 單元模擬，樁徑0.18m，樁頂連系梁采用beam單元，進行模擬，截面為0.4m×0.4m。土層及材料計算參數如表1、2所示。

現場荷載試驗的樁長為18m，樁徑為180mm，樁間距及排間距均為1.5m。模型中將荷載作用在一塊板上，分四級加載。

2 計算結果與實測對比

由圖2、3可知，有限元計算的位移和彎矩結果與現場試驗結果趨勢一致，符合良好，說明了有限元計算中，土的參數的選取基本上能夠反映實際的地質條件和樁-土之間的相互作用。因此，我們的模型能很好的模擬現場荷載作用下樁與土間的相互作用，能很好的模擬現場情況。

3 影響因素對比分析

計算結果分析：通過改變樁的樁間距、排間距、樁長；滑體的c、φ、E來比較各因素對排樁的影響。由于鋼管樁抗剪強度較大，本文主要從鋼管樁的位移和樁身彎矩對鋼管排樁進行受力分析。

3.1 樁間距影響分析

排樁的樁間距越大，單樁受力越大。排樁之間存在著土拱效應，即土體在荷載作用下的鍥緊，以限制樁間土體的滑出，并將樁后坡體壓力傳遞到兩側樁上，此時相鄰的兩樁起到了拱腳的作用。土體將滑坡推力傳給樁，使得土體不從排樁間溜出[3]。樁間距在合理距離的情況下，土拱效應能最好的發揮其抗滑作用。當樁間距過大時，樁間土土拱效應不能抵抗荷載時，土體溜出破壞。

從圖4、5可以看出，當樁間距小于2.5m時，隨著樁間距的增大，樁頂位移在增大，彎矩也在增大，但增大的很小。當樁間距為3m時，樁間距與樁徑比值為16.67，樁頂位移突然變小，這是因為樁間距3m時，樁間土體溜出，土拱效應破壞。使得傳遞到樁上的力驟減。同時反應在彎矩圖上是彎矩的驟減。還可以看出，樁距為3m時，滑動面加深。在樁間距為1.5～2.5時，樁的位移，最大彎矩隨樁間距變化較小。

3.2 排距的影響

排樁相當于一個插入土體的剛架，能夠靠基坑以下樁前土的被動土壓力和剛架插入土中部分的前樁抗壓、后樁抗拔所形成的力偶來共同抵抗傾覆力矩，樁土之間的相互作用不容忽略[4]。樁的剛度影響著樁的撓度，因而樁的剛度也成為樁側向承載力的一個主要因素[5]。排間距增大，樁土整體剛度增大，但過大時，相當于分級設樁，樁與土不能形成一個整體；排間凈距為0時，土的作用沒有得到發揮，相當于將樁的厚度增大。在滑坡治理中，我們希望滑坡荷載盡可能的傳遞到抗滑樁，若樁承受的力越大，即樁分擔的荷載越多。

從圖6、7中可以看出，排距為2.5m時位移最小，但是變化不明顯。隨著排間距的增大，后排樁的彎矩在增大。中排樁和前排樁彎矩呈先減小后增大的趨勢。排距為2.5m時前排樁和中排樁彎矩最小，分別為-12.48kN*m、-16.22kN*m；而后排樁為-20kN*m。排樁的前中后三排樁的彎矩差距比較明顯，且前排樁的受力已經很小，所以排樁不能發揮同等的抗滑效果。排距超過2.5m時，前中后三排樁彎矩均增大，樁土相互作用減弱，相當于分級設樁，類似于拉結樁的特性，排樁之間不能形成良好的樁土復合作用。[6]

在滑坡治理中，排樁的前中后三排樁承受的滑坡推力是不同的，所以在雙排樁設計中應該選擇合適的樁排距，前中后三排樁采用不同的配筋方式和截面尺寸，以更好的發揮抗滑樁的效能。[7]

3.3 樁長的影響

樁具有分擔荷載、應力傳遞和擴散作用，樁體通過應力傳遞作用，將不穩定巖土體內部分應力傳遞到穩定巖土體中，并分散在較大范圍的巖土體內，從而降低坡體應力集中程度，起到穩定滑（邊）坡的作用。滑面下一定長度，樁后滑床抗力由于樁身與樁后土體的脫空基本為0[8]。所以樁的長度決定了樁將荷載是否傳到穩定巖層中去。

從圖8、9中可以看出，樁長對位移影響較小。彎矩隨著樁長的增長先增大后趨于穩定。說明隨著樁長的增長，樁傳遞的荷載增大，受力更為合理，抗滑作用增大；當樁長超過17m后，再增加樁長已經對抗滑作用不明顯，基本抗滑力不在增加。一味地增加樁長對提高微型樁抵抗水平位移的能力和抗滑力作用不大[9]。本例中最佳樁長為17m。

3.4 粘聚力c對排樁影響

c值大，說明土體的整體性較好。c值為13、18、23、28時，樁頂位移分別為49.33mm、45.65mm、39.96mm、36.28mm。從圖10、11中可以看出，隨著c值得增大，樁頂位移在逐漸減小，減小趨勢基本與c值變化成正比。因為c值越大，滑坡下滑力也就越小。

隨著c值增大，彎矩一直減小。c值增大，滑坡下滑力減小，同時樁前土體抗滑力也增大，所以彎矩一直在減小。內聚力增大5kPa，彎矩減小約2kN·m。

3.5 內摩擦角φ對排樁影響

內摩擦角φ反應了土體之間的摩擦強度。從位移圖12中可以看出，隨著φ值增大，樁頂位移減小。

從圖13中可以看出，φ值增大，位移迅速減小。φ值從12°到22°再到32°，位移分別減小12.5mm、7.7mm。位移減小，說明從整體看，滑坡推力在減小。隨著φ值增大，彎矩一直減小。φ值增大，土自身的穩定性增強，所以彎矩一直在減小。

3.6 壓縮模量對排樁影響

壓縮模量反應的是土在側向受限受壓時的變形。是土體剛度的體現。土體壓縮一般是看做土中水和氣體從空隙中被擠出，土顆粒靠攏靠緊。同一種土，若E值越大，說明其越密實。由于土的抗剪強度由土骨架承受。所以同一種土，E值是c、φ的綜合體現。E值越大，反應的c值也大。

隨著E值的增大，后排樁位移迅速減小，E值從5MPa到7MPa，再到10MPa，再到15MPa，再到20MPa。位移分別減小19.6mm、12.3mm、12.4mm、3.5mm。

隨著E值增大，彎矩一直減小。E值大，土的剛度也越大，在較小位移的時候，剪力都會比較大。同時，反應的c，φ值也大，土體自身穩定性也增大，樁前抗力也在增大，所以彎矩隨E值增大減小。如圖14、15。

3.7 歸一化處理

以原土體參數為基準，改變后的樁間距除以原來的樁間距1.5m，同樣處理排間距與樁長、土體參數。得到的歸一化圖。從圖16、17中我們可以看出，樁身參數中，樁間距對位移影響較大，但樁間距為3m時，即歸一化后參數為2，樁頂位移迅速減小，土從樁間溜出。

土體參數中，可以看出，在現在土體情況下，土的壓縮模量對樁頂位移影響最大。位移與壓縮模量E值呈反比例關系，與粘聚力c值呈線性遞減關系，與φ先呈線性遞減關系，然后趨于平穩。

4 結束語

4.1 綜上所述：樁間距在合理距離的情況下，土拱效應能最好的發揮其抗滑作用。當樁間距過大時，本例為3m時，樁間土土拱效應不能抵抗荷載時，土體溜出。在樁身參數中，樁間距對排樁的影響最大。

4.2 而排間距主要影響的是排樁的整體性，樁土復合剛度，以及排樁的荷載分擔。合理的排間距會加強樁土復合作用，使得排樁更好的發揮抗滑的效能。

4.3 樁長對位移影響較小。彎矩隨著樁長的增長先增大后趨于穩定。說明隨著樁長的增長，樁傳遞的荷載增大，受力更為合理，抗滑作用增大。

4.4 E值是一種土c、φ的綜合體現。c、φ、E值增大，樁身彎矩迅速減小。因為土體自身穩定性的增強減小了作用于樁上的力。樁身彎矩隨c值增大而減小。樁頂位移隨c值增大呈線性減小。樁頂位移隨φ值先呈線性遞減關系，然后趨于平穩。樁頂位移與E值呈反比例關系。

E值是對樁頂位移影響最大的因素，c值對位移的影響處于E與φ之間。當土體參數較好時，下滑力會減小，土自身的強度會增大，可以適當增大樁的間距。

參考文獻

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