midas GTS NX在埋入式抗滑樁設計中的應用

（貴州有色地質工程勘察公司，貴州 貴陽 550002）

樁頂位于地面及地面以上的抗滑樁稱為全長式抗滑樁，樁頂位于地面以下一定深度的抗滑樁稱為埋入式抗滑樁。現行《滑坡防治設計規范》（GB/T 38509-2020）、《公路滑坡防治設計規范》（JTG/T 3334-2018）已將埋入式抗滑樁作為抗滑樁工程的一種類型列入其中，推薦在滑坡治理工程中采用。埋入式抗滑樁適用于滑面確定，滑帶抗剪強度明顯低于滑體抗剪強度，僅需通過對滑帶及其附近的巖土體加固即可提高整體穩定性的滑坡[1]。

1 埋入式抗滑樁的設計計算方法

（1）傳統計算方法及其弊端。采用傳統方法計算抗滑樁時，作用在抗滑樁上的滑坡推力一般采用極限平衡法，國內主要采用不平衡推力法（或傳遞系數法）計算滑坡推力[2]。通常采用極限平衡法對抗滑樁進行設計計算時，不能直接計算出樁前抗力，如果不考慮樁前抗力，設計將偏于保守。采用傳統極限平衡法計算時，樁后推力與樁前抗力的分布不能通過計算直接得出，需要人為假設其分布形態；不能計算作用在埋入式抗滑樁上的滑坡推力，因而不能進行合理樁長的設計；不能對多排埋入式抗滑樁的合理排間距進行優化設計。

（2）有限元強度折減法。有限元分析方法，是在彈塑性有限元模型中，通過增大巖土體荷載或降低巖土材料強度，采用彈塑性計算使模型達到極限破壞狀態，得到發生極限破壞時的安全系數。根據滑坡穩定安全系數的定義，在滑坡穩定性計算中，有限元法可以分為有限元超載法和有限元強度折減法。有限元強度折減法是通過不斷降低巖土體抗剪指標使其達到極限破壞狀態，此時的強度折減系數即為滑坡的穩定安全系數。采用有限元強度折減法時，對滑坡穩定安全系數的定義可表示為：

上述對滑坡穩定安全系數的定義，與采用傳統極限平衡法計算滑坡時的穩定安全系數一致，都表示整個滑面達到了極限狀態，是整個滑面的平均安全系數，屬于強度儲備安全系數。

（3）埋入式抗滑樁設計計算在midas GTS NX中的實現。midas GTS NX是巖土工程通用有限元分析軟件，支持靜力分析、動態分析、滲流和固結分析、邊坡穩定分析、施工階段分析等；包含彈性本構，莫爾-庫倫、德魯克-普拉格、修正劍橋等塑性本構；包含平面應變、實體、桁架、梁、接觸、連接等單元。軟件界面友好、功能全面、容易上手。

采用midas GTS NX軟件對埋入式抗滑樁進行設計計算，抗滑樁可以采用梁單元或實體單元進行模擬。采用梁單元模擬抗滑樁，可以反應樁的受拉、受壓、受彎、受剪等特性，可以輸出樁身軸力、彎矩、剪力等。

2 埋入式抗滑樁合理樁長的確定

埋入式抗滑樁進入滑床穩定巖土層內的嵌固深度應主要根據嵌固段巖土體的水平承載力特征值確定，樁進入滑體內的長度確定應保證滑體不產生越頂剪出。采用midas GTS NX軟件對埋入式抗滑樁的長度進行設計計算時，通過有限元強度折減法算出不同樁長時的抗滑穩定安全系數，當設置某一樁長后的抗滑穩定安全系數達到要求的設計安全系數，此時的樁長即為合理樁長。某公路旁堆積體滑坡，擬在滑體下部采用埋入式抗滑樁進行治理，巖土體及材料計算參數如表1。

表1 滑坡巖土體及材料計算參數

采用midas GTS NX軟件對滑坡建模，滑體、滑帶、穩定基巖采用平面應變單元模擬；埋入式抗滑樁采用植入式梁單元模擬，改變樁長時不需重新劃分巖土體網格，可以節省建模時間。埋入式抗滑樁設在滑坡體下部，樁全斷面嵌入穩定基巖6m，滑體內樁長分別為3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、12.8m（全長樁）。采用有限元強度折減法，計算不同抗滑樁長度時的滑坡穩定性，不同樁長對應的滑坡穩定系數如表2，不同樁長對應的滑面位置如圖1。

表2 不同樁長時的滑坡穩定系數

當抗滑樁有足夠強度時，隨著埋入式抗滑樁在滑體內樁長的增加，最危險滑面不斷上移，穩定系數不斷增加。當樁長從9m增加至13m（滑體內樁長從3m增加至7m）時，穩定系數增加速率較快；樁長超過13m時，隨著滑體內樁長的不斷增加，穩定系數增加速率變緩。對于該滑坡，當抗滑樁位于滑體下部時，埋入式抗滑樁合理樁長約為13m，其中滑體內樁長7m，約為抗滑樁處滑體厚度的0.55倍。

圖1 不同樁長對應的滑面位置

3 埋入式抗滑樁的內力計算

埋入式抗滑樁所承受的滑坡設計推力可采用有限元法強度折減法計算，計算時應對滑體與滑帶強度參數按設計穩定安全系數進行折減。當采用實體單元模擬樁和巖土體時，樁所受承受的設計推力為靠山一側的樁后推力和樁前抗力的差值。樁后推力和樁前抗力計算可采用路徑積分法，即自滑面以上對樁土接觸面上的水平應力進行積分，所得積分值即為樁后推力或抗力。當采用梁單元模擬樁時，只需對滑面以上樁身梁單元的水平應力進行積分，此時的積分結果即為樁承擔的滑坡推力。埋人式抗滑樁的內力可由梁單元直接算出彎矩和剪力，或根據有限元法算得的滑坡推力分布采用結構力學方法計算。采用midas GTS NX軟件對滑坡建模，埋入式抗滑樁采用梁單元模擬，采用有限元強度折減法計算后，通過查看梁單元內力，可直接得出埋入式抗滑樁樁身軸力、彎矩、剪力數值及分布。

4 多排埋入式抗滑樁合理排間距的優化

對于滑體長度大，或滑坡推力大的滑坡，只用一排抗滑樁難以滿足工程要求時，可采用多排抗滑樁。對多排全長抗滑樁，通常按各排抗滑樁分擔的滑坡推力大致相等的原則確定排間距。對多排埋入式抗滑樁，由于作用在樁上的滑坡推力難以采用極限平衡法求出，采用各排樁分擔的滑坡推力大致相等確定排間距無法實現。上述公路堆積體滑坡另一典型剖面，擬采用兩排埋入式抗滑樁進行滑坡治理，巖土體及材料計算參數、采用midas GTS NX軟件對滑坡建模如前所述。對不同排間距13m、26m、37m、48m，采用有限元強度折減法，分別計算滑坡穩定性，不同排間距對應的滑坡穩定系數如表3。

表3 兩排埋入式抗滑樁不同排間距對應的滑坡穩定系數

當兩排埋入式抗滑樁排距較近（排距13m）時，最危險滑面位于兩排抗滑樁上部，滑坡穩定系數較低；后排樁樁身內力明顯大于前排樁樁身內力，后排樁承擔的滑坡推力較大。當兩排埋入式抗滑樁排距較大（排距48m）時，最危險滑面位于兩排抗滑樁之間，滑坡穩定系數較低；前排樁樁身內力明顯大于后排樁樁身內力，前排樁承擔的滑坡推力較大。當兩排埋入式抗滑樁間距適中（排距37m）時，最危險滑面分布于兩排樁之間及兩側，組成復合型滑面，穩定系數較高；前排樁和后排樁樁身內力分布一致、大小基本相等，所承擔的滑坡推力大致相等。可通過不斷調整多排埋入式抗滑樁之間的排距，可使各排樁承擔的滑坡推力大致相等，樁身內力大小及分布基本一致。

5 結語

現行《滑坡防治設計規范》（GB/T 38509-2020）推薦采用有限元強度折減法對埋人式抗滑樁進行計算，使用midas GTS NX軟件中的埋入式梁單元等便捷功能，通過有限元強度折減法，可高效的進行埋入式抗滑樁合理樁長的確定、樁身內力計算、多排樁排距優化等。采用有限元分析軟件，可方便快捷地對埋入式抗滑樁進行設計計算，為其在滑坡治理工程中的應用奠定了技術基礎。