h型抗滑樁邊坡治理工程數值模擬研究★

管 永 偉

(山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030006)

h型抗滑樁具有抗彎剛度大，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和快速收坡護腳等優點[1，2]，因此在滑坡和高邊坡治理工程h型抗滑樁具有更優的支護性能。

針對h型抗滑樁承載力變形和設計計算方法方面的研究，已取得了豐碩成果：王羽，歐明喜等[3,4]建立了h型抗滑樁內力計算模型。歐孝奪等[5-7]通過室內模型試驗、數值模擬與現場試驗及監測等方法探討了h型抗滑樁承載變形特性，并給出了h型抗滑樁結構正常工作狀態下時基樁排距、樁間距、系梁剛度與嵌固深度等參數的取值范圍。申永江等[6]基于測斜數據反演抗滑樁工作狀態。

本文以山西岢臨高速公路某大橋橋臺高邊坡治理工程為例，采用數值模擬的方法對h型抗滑樁進行分析研究。

1 工程概況及處治方案

1.1 工程概況

山西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，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。目前橋梁多處出現裂縫，大橋的運營安全受到嚴重威脅。

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。支擋方案選擇了h型樁結構，h型樁不僅能夠“收坡”與“固腳”，而且能承受較大的滑坡推力。

楊義奎等[7]認為對于粘聚力為主滑坡體(比如硬塑黏土、土夾石等)，滑體變形呈現整體均勻向下蠕動，其滑坡推力可近似為矩形分布。研究區h型抗滑樁樁后的滑體為填筑的密實灰土(熟石灰與黏土以3∶7的形式混合)，呈硬塑狀態，因此滑坡推力考慮為矩形分布，按傳遞系數法進行計算，計算參數見表1(根據室內土工試驗結果)。最終確定設計參數：h型抗滑樁為C30鋼筋混凝土結構。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6.5 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。

表1 研究區巖石力學參數

2 數值模擬

2.1 模型建立

建立研究區h型抗滑樁概化模型，如圖1所示，圖1中模型尺寸按照研究區實測參數設置。運用COMSOL Multiphysics有限元數值模擬軟件進行數值計算(計算參數見表1)，對工程案例進行系統分析。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。假設坡體、滑面、泥質砂巖為均勻、彈性各向同性連續介質；計算邊界條件為：底部邊界采用固定約束；前后、左右邊界分別施加x和y方向水平約束；坡體表面為自由邊界；初始應力為坡體自重。

2.2 h型抗滑樁受力分析

圖2為h型抗滑樁剪應力分布特征，圖2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，屬于薄弱構造部位，在設計中應適當注意配筋驗算和結構優化。結構中最大剪應力約為1.5 MPa，出現在錨固段頂部附近。圖2中還顯示相同高度上的前后排樁樁身應力分布規律基本相同。將h型抗滑樁前、后排樁樁身水平位移數據提取，并繪制曲線，如圖3所示，圖3中顯示，樁身側向位移量隨距樁頂距離的增大逐漸減小，但減小速率逐漸變緩。前、后樁樁頂水平位移分別為14.8 mm和48 mm，結構變形小，表明h型抗滑樁結構整體體系具有強大的抗變形的能力。對比發現，相同高度水平上的前后排樁樁身最大位移差相差很小，僅為2.2 mm，和相同高度上前后排樁樁身應力分布規律基本相同特征吻合，因此h型抗滑樁具有的前后排樁結構具有高效協同工作的能力。

為對比樁身內力分布的數值模擬值與理論計算值，繪制結構體系中后樁的彎矩分布圖，如圖4所示，圖4中顯示，后樁彎矩的數值計算結果與理論值分布規律相似，說明數值模擬結果可靠，總體上數值模擬值均略小于理論值，說明數值模擬更能真實表達工程實際情況。

3 變形監測

通過在h型抗滑樁后排樁內預埋測斜管，采用測斜儀獲取樁身的側向位移數據。通過分析監測數據獲得抗滑樁的工作狀態，評價h抗滑樁結構的抗滑效果。2017年9月21日成樁，養護14 d后，樁后開始填土施工，對填土施工全過程及施工完畢后一段時間進行變形監測，采集樁身側向位移直至變形位移穩定。選取一根典型樁的側向位移監測數據如表2所示。從表2中可以看出，隨著距樁頂的距離的增大，樁身的側向位移逐漸減小，樁身在錨固段頂部與基巖接觸部位基本沒有產生位移，監測數據表明該樁工作狀態良好。

表2 后樁實測側向位移

統計部分樁樁頂最大水平位移數據如表3所示。2017年10月20日填土完成，橋臺錐形護坡修整完成，表3中顯示此時樁頂最大累計位移量達31 mm。之后對抗滑樁進行為期2年的變形監測，結果表明，至2018年10月份樁頂最大累計位移量增加到51.6 mm，此后到2019年10月份相當長時間內樁頂位移量不再增加，說明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 結語

結合典型工程實例，對采用數值模擬的方法對h型抗滑樁設計參數進行研究，得到如下結論：

1)數值模擬得到的h型樁結構受力特性，表明該結構前后排樁結構具有高效協同工作的能力。與理論計算值相比數值模擬結果更能真實表達工程實際情況。

2)h型抗滑樁變形監測數據與數值模擬數據具有較高的吻合。監測數據表明，樁體結構處于穩定狀態，說明h型抗滑樁在本工程中的治理效果顯著。