H型抗滑樁治理邊坡的效果評價

劉 松，王 晨，武蘭蕊

（徐州市銅山區水利工程建設中心,江蘇 徐州 221000）

1 前言

H型抗滑樁因其阻滑效果佳而被工程界廣泛應用,對此學者們也進行了大量的研究,管永偉[1]通過數值模擬對H型抗滑樁進行了研究,研究結果表明：H型抗滑樁的阻滑效果較為明顯。趙玉博等[2]對H型抗滑樁的支護效果進行了研究,研究結果表明：H型抗滑樁的支護效果較單樁要好得多,尤其是控制邊坡位移方面。王晨濤等[3]結合廣東某邊坡對H型抗滑樁的內力進行了研究,研究結果表明：以彈性地基梁法計算的H型抗滑樁內力,與實際更加符合。何志俊[4]結合數值模擬對H型抗滑樁進行了研究,研究結果表明：確定了滑動面,對于H型抗滑樁的優化設計更有益。于航[5]對H型抗滑樁從理論、實踐進行了系統的研究,研究結果表明：在治理大中型滑坡方面,H型抗滑樁的效果較明顯。李卿[6]對H型抗滑樁進行了數值模擬研究,研究結果表明：不同的截面形狀,H型抗滑樁的受力不同。楊為品[7]對H型抗滑樁和普通單樁的治理滑坡的效果進行了研究,研究結果表明：H型抗滑樁的治理效果更佳。賀雄[8]通過數值模擬軟件,對H型抗滑樁的設計進行了優化,并提出了優化設計的具體方案。

然而以上的研究僅對常規的滑坡或邊坡進行了研究,若坡體不允許進行坡面防護,只能在坡腳處進行治理,此種防治措施該如何設計？針對此類邊坡,本文采用H型抗滑樁進行治理,通過對坡體的位移、H型抗滑樁的受力、支護后邊坡的整體穩定性進行研究,以此評估H型抗滑樁治理邊坡的有效性。

2 工程概況

某邊坡開挖后坡腳處出現微裂縫,現對裂縫進行灌漿處理,見圖1,因坡面由于特殊需要不易施加任何坡面防護措施,因此選擇H型抗滑樁對邊坡進行加固,本文的重點在于邊坡的治理,暫不考慮土拱效應[11-14]。

圖1 邊坡示意圖

經過地質勘察可知,邊坡主要由風化土、風化巖和硬巖組成,此三種巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

選擇MIDAS對邊坡進行數值模擬的研究,風化土選擇莫爾庫侖模型,風化巖和硬巖選擇彈性模型,H型抗滑樁長邊長度為16 m,短邊長度為8 m,橫梁長度為3 m,H型抗滑樁選擇彈性模型進行建模,彈性模量為3.6×109 kN/m2,泊松比為0.21,數值模擬共計14362 個單元、13448年節點,數值模擬計算至邊坡穩定時停止。

3.2 模擬的結果

3.2.1 邊坡的總體位移

數值模擬計算結束以后,邊坡的總體位移見圖2。

圖2 支護邊坡后的總體位移（單位：m）

如圖2所示,邊坡的最大位移是7.5 mm,位于風化土區域,風化土區域62%巖土體的位移超過3 mm,說明此處區域是防治的重點,邊坡巖土體55%位移是小于1 mm,說明邊坡的防治重點不在于風化巖和硬巖區域。

3.2.2 H型抗滑樁的受力

邊坡穩定后,H型抗滑樁所受的軸力見圖3,由圖3可知,靠近邊坡的樁所受的軸力較大,最大為3.9 MN,靠近路面的樁所受的軸力數值均較小,最大軸力為3.5 MN,橫梁所受的軸力最大值為2.1 MN,三者受力較為均勻,說明H型抗滑樁分擔軸力的同時,也達到了抗滑的效果,其構造較為合理。

圖3 H型抗滑樁所受的軸力（單位：kN）

由H型抗滑樁所受軸力的數值可知,靠近邊坡樁的受力最大,應當加強此處樁體的強度,同時可適當減少靠近路面樁的強度,以此達到節約工程造價的目的。

H型抗滑樁所受的剪力見圖4,最大的剪力位于橫梁處,數值為5.2 MN,比例占整個H型抗滑樁16%,從另一個方面也說明了橫梁確實起到了傳遞力的作用。靠近邊坡樁的受力普遍大于另外一根樁,說明了此樁的強度可適當加強,而另一根樁因為受力較小,強度可適當降低。

圖4 H型抗滑樁所受的剪力（單位：kN）

抗滑樁所受的彎矩見圖5,由彎矩圖可知,彎矩最大處位于靠近坡體樁的下半部位,數值最大達到18 MN·m,超過10 MN·m的彎矩占整個H型抗滑樁的19%,但是數值并沒有達到H型抗滑樁的極限承受彎矩,滿足工程穩定性的目的。

圖5 H型抗滑樁所受的彎矩（單位：kN·m）

從H型抗滑樁所受的彎矩可知,靠近坡體的樁所受彎矩依然最大,因此可適當加強此段抗滑樁的強度。

3.2.3 邊坡的穩定性

邊坡計算結束后,剪應力變化區見圖6,由剪應力的變化區可知,剪應力區并未貫通,說明H型抗滑樁確實起到了防止邊坡進一步滑動的目的,剪應力作用于H型抗滑樁時,正處于H型抗滑樁的中部區域,說明H型抗滑樁的長度設計是合理的。

圖6 暴雨工況下邊坡的剪應力區

暴雨工況下,支護后邊坡的安全系數為1.41,此安全系數界于1.4～1.6之間,滿足工程對穩定性的需求。

調用MIDAS GTS的自動搜索滑動面的功能,搜索出的滑動面見圖7。由圖7可知,剪應力于H型抗滑樁區域并沒有發生應力集中的現象,應力較為分散,說明H型抗滑樁起到將剪應力集中于樁體周圍,并擴展至周圍巖土體,避免了應力集中,起到了良好的阻滑效應。

圖7 暴雨工況下邊坡的滑動面

3.2.4 數值模擬總結

（1）邊坡總體的最大位移為7.5 mm,小于工程要求的20 mm,從位移的角度分析可知,H型抗滑樁在位移方面是達到了治理的效果。

（2）H型抗滑樁所受的軸力、彎矩和剪力數值均小于其極限值,說明H型抗滑樁的強度是滿足要求的；另一方面,靠近坡體的樁的受力明顯較靠近路面的受力小,說明靠近坡體的樁的強度應當適當加強,同時也可適當減小靠近路面樁的強度,以節約工程造價。

（3）支護完成后的邊坡整體穩定性為1.41,達到工程要求的范圍,說明治理措施是有效的,治理效果滿足工程要求。

4 結論

邊坡因特殊要求不允許在坡面進行防護,一定程度上將防護的壓力轉移至坡腳處,工程師在設計上采用的是H型抗滑樁,經過數值模擬研究,研究結論如下：

（1）施加H型抗滑樁以后,邊坡的整體位移不超過20 mm,避免了坡體進一步移動,控制了坡體的位移。

（2）H型抗滑樁所受的剪力、彎矩和軸力,均控制在合理的范圍內,從受力的角度分析,靠近坡體的樁的受力普遍大于靠近路面的樁,從造價的角度上分析,可適當加強靠近坡體樁的強度,降低靠近路面樁的強度,以達到節約工程造價的目的。

（3）邊坡的安全系數控制在合理范圍內,說明H型抗滑樁達到了治理邊坡滑動的目的,且H型抗滑樁將剪力分散于巖土體中,避免了應力集中。

（4）本文的研究可供坡面不加任何支護坡體的防護,對于坡面需要防護的坡體,則有待進一步研究。