基于數值模擬的h型抗滑樁優化設計研究

何志俊

（山西省交通開發投資集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

h型抗滑樁結構整體具有抗彎剛度大、穩定性好，前后排樁協調效率高、受力形式合理，能夠抵抗較大的滑坡推力，而且能起到收坡護腳的作用，在變形要求苛刻及地質條件復雜的工程中應用前景廣闊[1-3]。關于h型抗滑樁承載變形機制與計算分析方面的研究，已取得了豐碩成果[3-7]：王羽，歐明喜等分別建立了h型抗滑樁內力計算模型[3，8]；歐孝奪等[4，8-10]通過試驗、數值分析與現場監測探討了基樁排距、樁間距、系梁剛度與嵌固深度等因素對h型抗滑樁承載變形特性的影響規律。

本文以岢臨高速公路某大橋不良地質災害為例，根據現場情況，采用數值模擬方法分析h型抗滑樁受力狀態，并根據錨固深度和懸臂段長度變化影響下h型抗滑樁的工作狀態，探索h型抗滑樁結構受力規律并優化結構設計。

1 工程概況及處治方案

1.1 工程概況

岢臨高速公路某大橋處于黃土河谷岸坡地貌區，采用分幅設計，主線全長360 m，上部結構為9×40 m預應力鋼筋混凝土連續T梁，下部結構為矩形墩身，基礎采用直徑1.2 m的灌注樁。由于受持續特大暴雨影響，大橋一側橋臺錐形護坡垮塌，橋臺樁基礎外露形成臨空面，外露樁基長度達15 m（如圖1所示），樁基外露導致其側向受力不均衡，進而引發樁基傾斜承載力下降，甚至樁基倒塌。橋臺處于黃土陡坡上，下端發育有“U”型沖溝，溝內有季節性流水，垮塌后剩余坡體坡腳受溝谷河流進一步沖蝕作用，使得整個坡體處于欠穩定狀態。目前橋梁出現多處裂縫，大橋的運營安全受到嚴重威脅。

圖1 樁基防護現場施工圖

1.2 處治方案

橋址區為典型的黃土高原地貌，地層從上到下主要由第四系粉土及三疊系泥質砂巖組成。粉土中夾雜少量黏性土及鈣質結核。泥質砂巖為強風化類型，厚層狀構造。斜坡相對高差較大，高達50 m，屬于典型的高邊坡處治工程。

該不良地質工程治理措施關鍵在于穩定橋臺隱患坡體和修復外露樁基兩方面。結合現場及工程地質情況，支擋結構須滿足以下兩點：第一，“收坡”與“固腳”，這樣不僅能夠提供足夠的作業空間減少施工難度而且對于工程安全也至關重要；第二，能夠擋土并承受較大的滑坡推力。

首先采用人工挖孔方式進行h型抗滑樁嵌巖錨固段施工；然后在h型抗滑樁與外露樁基之間采用灰土分層填筑并碾壓密實，恢復外露樁基側的保護土層，使樁基受力重新達到平衡狀態；最后，樁頂至橋臺邊緣之間采用1∶1.5放坡的形式恢復橋臺錐形護坡結構。

2 數值模擬

2.1 模型建立

為模擬研究區h型抗滑樁的受力特性，建立研究區h型抗滑樁概化模型，如圖2所示，運用COMSOL Multiphysics有限元數值模擬軟件進行數值計算分析，研究h型抗滑樁在邊坡治理工程中的受力特征。模擬計算時，選用彈塑性本構關系，坡體遵循Drucker-Prager準則，滑面服從Mohr-Coulomb屈服準則；樁-土和樁-滑床的摩擦系數分別設定為0.19和0.5。

h型抗滑樁為C30鋼筋混凝土結構，具體參數見表1。h型抗滑樁幾何參數：后排樁長42 m（阻滑段27 m，懸臂段13 m，錨固段15 m），前排樁樁長27 m（阻滑段12 m，錨固段15 m），兩榀樁樁距5.5 m，前后排樁排距10.5 m；樁的截面尺寸a×b=2.5 m×3 m，橫梁截面為2.5 m×2.5 m。

圖2 研究區概化模型（單位：m）

表1 模型巖石力學參數

2.2 h型抗滑樁受力分析

圖3為h型抗滑樁剪應力分布特征，圖中顯示，前、后排樁樁身與系梁交接處、連系梁及錨固段頂部附近均出現了顯著的應力集中現象，以上部位在設計中應適當考慮強化結構設計。結構中最大剪應力約為1.5 MPa。對比發現，在h型抗滑樁相同高度上的前后排樁樁身應力分布規律基本相同，表明該種結構的協同作用效率很高。根據張永杰等[11]的研究結果，h型抗滑樁承載變形特性對懸臂長度更為敏感。而錨固深度對工程的成本影響最大。因此，為驗證設計方案的合理性，對懸臂長度與錨固深度兩個支護參數進行優化分析，以使h型抗滑樁結構承載變形及施工成本等方面達到最優狀態。

圖3 h型樁剪應力云圖

3 h型抗滑樁結構承載能力優化分析

3.1 懸臂段長度

在其他參數不變的情況下，通過不斷改變模型中懸臂段長度，進行數值計算，獲得多組h型抗滑樁結構位移和彎矩值，并進行統計見表2所示。統計結果顯示，懸臂段長度的變化對h型抗滑樁前后排樁樁頂水平位移和最大彎矩都有顯著影響。圖4為不同懸臂長度時樁頂位移變化，圖中顯示，隨著懸臂長度的增加，后排樁樁頂位移呈現急劇上升趨勢，而前排樁樁頂位移則逐漸減小。當懸臂長度過16 m時，后排樁樁頂位移有急劇增大的趨勢，說明超過此臨界值后后排樁樁頂位移可能難以有效控制。因此，懸臂段長度應控制在16 m以內，當懸臂長度為15 m時，樁頂位移為50.2 mm，符合規范要求。

表2 不同懸臂長度時前、后排樁頂位移及彎矩統計

圖4 不同懸臂長度時樁頂位移

在本次模擬范圍內，根據表2統計數據可知，隨懸臂段長度的增大，后排樁最大彎矩（負彎矩）出現先下降后上升的趨勢，前排樁最大彎矩（負彎矩）表現為緩慢的上升。考慮前、后排樁的協調性，僅繪制后排樁在不同懸臂段長度下的彎矩變化，如圖5～圖7所示。圖中顯示，后排樁的負彎矩出現在懸臂段根部（即與系梁交接部）及樁身錨固段頂部（即樁身與滑面接觸處），懸臂段根部的彎矩值小于錨固段頂部的彎矩值，但隨著懸臂長度的增大，二者的差距逐漸變小，圖7中可以看出，當懸臂長度為18 m時，懸臂段根部的彎矩值超過了錨固段頂部值，說明懸臂長度過大時，懸臂端會因承受較大滑坡推力而發生彎曲破壞。懸臂段長度為15 m左右時彎矩分布更為合理。綜上所述，懸臂長度設定15 m左右為合理的尺寸，此狀態下h型抗滑樁結構穩定，懸臂段既可以承擔樁后土體的作用力，又能保證錐形護坡的坡比。

圖5 懸臂長度為12 m時后排樁彎矩

圖6 懸臂長度為15 m時后排樁彎矩

圖7 懸臂長度為18 m時后排樁彎矩

3.2 錨固深度

通過不斷改變模型樁的錨固深度，其他參數不變（懸臂長度15 m），進行數值計算，得到多組結構位移和彎矩值數據，繪制不同錨固深度下后排樁樁身最大彎矩圖，如圖8所示，圖中顯示錨固長度從6 m到21 m，樁體的最大彎矩變化幅度較小，說明在一定范圍內改變錨固深度對調整樁身彎矩貢獻不大。

圖8 不同錨固深度時樁身最大彎矩

圖9 不同錨固深度時樁頂位移

由于樁的變形位移數據可測，因此后排樁的水平位移常作為衡量h型抗滑樁加固效果的標準之一。繪制不同錨固深度與后排樁最大水平位移之間的關系圖，如圖9所示，圖中顯示隨錨固深度的增大，樁頂水平位移呈現先劇烈減小后基本穩定。當樁頂位移維持在某一值附近時，表明增大錨固深度對改善h型抗滑樁的承載性能作用不大。圖中顯示錨固深度12 m是一個臨界值，錨固深度小于12 m時，可認為該狀態下滑體以下穩定地層的抗滑作用得不到充分發揮，抗滑樁有可能發生傾覆破壞；錨固深度大于12 m時樁頂水平位移維持在60 mm左右，因此樁體錨固深度不應小于12 m，但也不能過大，當錨固深度為13 m時，樁頂水平位移為50.7 mm，因此研究區h型樁取錨固深度為13 m較為合適。

3.3 變形監測

2017年9月21日成樁，養護14 d后，在h型抗滑樁后排樁樁頂布設監測點，采用測斜儀定期采集樁頂水平位移，同時樁后開始填土施工，對施工全過程及施工完畢后一段時間進行變形監測。2017年10月20日填土完成，橋臺錐形護坡修整完成，此時樁頂最大累計位移量達31 mm，符合設計和規范要求。通過為期兩年的變形監測，后排樁樁頂位移監測結果見表3，樁頂最大累計位移為51.6 mm，表明h型抗滑樁在本工程中的治理效果顯著。

表3 后排樁樁頂位移監測結果 mm

4 結論

a）結合典型工程實例，數值模擬h型抗滑樁受力狀態，結果顯示，在h型抗滑樁前后排樁樁身相同高度處應力分布規律基本相同，表明該種結構的協同性好。

b）在其他參數不變的情況下，分別數值模擬分析懸臂段長度和錨固深度與h型抗滑樁結構穩定性的關系，最終確定該工程懸臂段長度及錨固深度的合理的尺寸分別為15 m和13 m。

c）對h型抗滑樁樁頂變形監測數據表明，累計最大水平位移與數值模擬結果相吻合，且滿足規范要求。目前樁頂位移量不再增加，處于穩定狀態，表明治理效果良好。