圓形截面抗滑樁配筋方式優(yōu)選

陳濤 李堅 楊龍偉 江強強

摘要：

圓形截面抗滑樁作為抗滑樁的一種形式，采用機械成孔，不僅能夠縮短工期，而且能夠有效避免人工挖孔所存在的風險。基于ABAQUS有限元軟件對3種配筋形式（沿樁周均勻配筋、沿樁周非均勻配筋和配置矩形鋼筋籠）的抗滑樁支護滑坡在靜力荷載作用下的位移、鋼筋受力特點等進行定量分析研究。研究結果表明：① 相同荷載作用下，圓形非均勻配筋抗滑樁與矩形鋼筋籠抗滑樁支護效果相對較好；② 選用圓形非均勻配筋形式和矩形鋼筋籠形式能夠較大程度發(fā)揮鋼筋作用。③ 當配筋量不大時，在可以準確定位情況下選用圓形非均勻配筋形式，可在滿足承載力要求的同時節(jié)約鋼筋量，但在滑坡推力較大，配筋量較大時，用矩形鋼筋籠形式更有利于鋼筋的布置。

關鍵詞：

抗滑樁； 滑坡； 均勻配筋； 非均勻配筋； 矩形鋼筋籠

中圖法分類號：V213.1+52.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.012

文章編號：1006-0081（2023）05-0073-06

0 引 言

中國地域廣闊，滑坡災害在西南、西北等地區(qū)均有分布［1］，對人的生命財產造成威脅［2］，因此，應加大對滑坡治理工程的投入和研究，以更好地規(guī)避和應對滑坡災害。

抗滑樁具有施工安全、樁位靈活、抗滑能力強、對滑體土塊擾動小等優(yōu)勢，對滑坡災害的治理效果顯著［3］。目前，對抗滑樁的研究主要采用理論分析和數(shù)值模擬等手段。Ito等［4］從樁間距、截面形狀、樁身材料屬性以及坡率等方面分析樁身受力特點，為抗滑樁支護設計提供參考。章為民等［5］在塑性理論的基礎上，通過改變抗滑樁的形狀來研究樁土之間的相互作用機理，為實際工程中抗滑樁設計計算提供參考。陳富堅等［6］考慮非均布配筋可大大降低大截面抗滑樁配筋量，從受力特點、計算簡便性以及布筋要求等方面，對抗滑樁和其他定向受力樁作了定性對比分析，推導了圓形與環(huán)形截面抗滑樁120°夾角非均布配筋計算公式，進行了算例對比分析和經濟配筋定量計算探討。Duncan［7］進行多因素對比分析，研究了數(shù)值模擬計算與傳統(tǒng)方法計算的優(yōu)缺點。Cai等［8］通過有限元數(shù)值模擬得出樁間距、材料及設樁位置等因素對支護效果的影響。Zhang等［9］為了研究樁的承載特性，進行了模型測試，并使用ABAQUS軟件對組合荷載作用下具有不同傾角的單樁進行了數(shù)值模擬，研究結果可為斜坡地基中的樁或抗滑樁設計提供參考。

現(xiàn)階段，滑坡治理方式主要采用抗滑樁技術，在抗滑樁施工中，圓形截面抗滑樁采用機械成孔［10-11］，不僅能夠縮短工期，且能有效地避免人工挖孔所存在的危險［12］。目前，圓形截面抗滑樁的配筋方式主要有3種，分別為沿圓周均勻配筋的圓形均勻配筋抗滑樁、沿圓周非均勻配筋的圓形非均勻配筋抗滑樁和配置矩形鋼筋籠的矩形鋼筋籠抗滑樁。本文主要通過數(shù)值模擬研究3種配筋方式圓形截面抗滑樁對滑坡支護效果的影響，闡明合理的配筋方式，為圓形截面抗滑樁支護設計提供參考。

1 不同配筋形式縱筋分布形式及優(yōu)缺點

1.1 分布形式

（1） 沿樁周均勻布置縱向受力鋼筋（圖1）。

式中： x為受壓區(qū)高度；K為附加安全系數(shù)，取值為1.3；R? W 為混凝土彎曲抗壓強度設計值；R g為鋼筋受拉設計強度；r 0取值可查規(guī)范附錄四［13］；a 0為矩形鋼筋籠邊長；b為 長邊長度。

1.2 不同配筋方式優(yōu)缺點

（1） 采用沿圓周均勻配筋方式，樁身鋼筋籠施工簡便、樁身各個方向均可受力，但靠近抗滑樁中和軸位置鋼筋不能充分發(fā)揮作用，造成鋼筋的浪費。

（2） 采用沿圓周非均勻配筋方式，總配筋量相對較小，且抗滑樁側向受力明確，會存在明顯的拉壓分區(qū)，在受拉區(qū)和受壓區(qū)均勻配筋的方式更符合結構受力［14］及節(jié)約資源等優(yōu)點［15］，但是樁身鋼筋籠施工要求較高，動力荷載條件下樁身受力特點不明確，難以確定拉壓分區(qū)時不宜采用。

（3） 采用矩形鋼筋籠形式具有受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋清晰明確、可根據需要在受拉受壓區(qū)差異性布筋等優(yōu)點，但是目前工程中，圓形截面抗滑樁采用矩形鋼筋籠的案例較少，具體效果尚不明確。

2 不同配筋形式抗滑樁模型

2.1 工程背景

邊坡區(qū)地處陜西省延安市富縣，年平均氣溫約為8～9 ℃，年平均降雨約為500～600 mm。邊坡位于化工廠的污水零排放裝置場地北側，支護前上部為自然邊坡，植被以雜草、灌木和喬木為主；中下部經人工取土后形成多級平臺狀人工邊坡，無植被覆蓋，邊坡西側下部一級平臺高12 m，二級平臺高14 m，坡比1∶0.93，平臺寬5 m，二級平臺處有潛在滑動的跡象，在暴雨情況下可能會發(fā)生滑動。

根據工程地質測繪調查及勘探揭露，上部主要為黃土，下部地層為泥巖和砂巖，邊坡區(qū)工程剖面圖如圖4所示。所有鉆孔均未遇見地下水。

經計算，邊坡最大剩余下滑推力為1 277.73 kN/m，抗滑樁樁身所承受最大彎矩12 644.32 kN·m，最大剪力為-3 313.32 kN。由式（1）～（11）可計算出3種配筋形式的配筋量分別為51 727，44 465.2 mm2和49 522 mm2。

2.2 數(shù)值模型

邊坡中下部黃土層因連續(xù)降雨有局部滑動跡象，工程設計樁位在一級平臺處，概化后的模型剖面如圖5所示，截取截面厚度12 m，在坡頂分級施加荷載進行建模計算。

邊坡土層和巖層本構模型選用的是Mohr-Coulomb模型，鋼筋混凝土樁作為受力破壞的主要構件，模擬結束后需要分析其樁身混凝土損傷情況、剛度退化以及樁的內力分布特征和破壞點位置等。混凝土數(shù)值模擬分析選用CDP模型，鋼筋選用塑性本構模型。

2.3 模型材料參數(shù)

邊坡坡體材料參數(shù)由勘察資料確定，樁身混凝土材料以及樁內鋼筋的材料屬性依據GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》給出的參數(shù)取值，混凝土受壓行為、壓縮損傷、受拉行為及拉伸損傷等各項參數(shù)以及鋼筋塑性參數(shù)均基于混凝土結構設計規(guī)范中的本構關系計算得出。具體參數(shù)如表1～4所示。

2.4 模型網格劃分及各部件

模型土體、巖體及混凝土抗滑樁采用C3D8R單元類型，鋼筋采用T3D2單元類型，網格劃分時對重點分析部位（如抗滑樁等）進行適當加密。各部件模型示意如圖6所示。

2.5 相互作用及接觸設定

在有限元模擬計算過程中，由于每個部件相互之間的接觸面上都存在介質不連續(xù)，因此各個部件之間的接觸設定尤為重要，不僅關系到是否能夠正確反映不連續(xù)部位的變形、受力以及荷載傳遞特征，還對模型的計算收斂起著關鍵作用。接觸關系及參數(shù)設定如表5所示。

2.6 分析步設置

本次數(shù)值模型建模時設置兩個分析步：① 分析步為Geo分析步，分析步類型選擇地應力，用于計算模型初始地應力平衡；② 分析步為Load分析步，分析步類型選擇靜力、通用，用于給計算模型坡頂施加荷載（如圖7所示），且Load分析步選擇的加載方式為利用時間幅值函數(shù)分級施加荷載，每級施加4 kPa荷載。

3 計算結果分析

3.1 樁身塑性應變分析

樁身混凝土首次出現(xiàn)受拉損傷破壞時的云圖如圖8所示。

ABAQUS數(shù)值模擬軟件中，CDP模型的后處理模塊中的混凝土單元受拉或受壓損傷達到0.864 3及以上時，即可視為該混凝土單元發(fā)生破壞，這也是混凝土裂紋出現(xiàn)或擴展的位置。圖8（a）為沿樁周均勻配筋抗滑樁，施加總荷載達到108 kPa時混凝土樁開始出現(xiàn)受拉損傷破壞；圖8（b）為沿樁周非均勻配筋抗滑樁，施加總荷載達到144 kPa時混凝土樁開始出現(xiàn)受拉損傷破壞；圖8（c）為矩形筋鋼筋籠樁，施加總荷載達到120 kPa時混凝土樁開始出現(xiàn)受拉損傷破壞。

3.2 位移分析

由圖9（a）樁頂水平位移圖可知，矩形鋼筋籠抗滑樁的樁頂位移量相對最小；由圖9（b）坡腳水平位移曲線可知，采用矩形鋼筋籠抗滑樁和圓形非均勻配筋抗滑樁支護形式坡腳水平位移相對較小；對比圖10（a）、（b）和（c）可知，相同荷載條件下，矩形鋼筋籠抗滑樁和圓形非均勻配筋抗滑樁的樁身位移量相對較小。

3.3 三種配筋形式鋼筋受力特點分析

由配筋計算可知，相同滑坡推力作用下，圓形非均勻配筋形式配筋量相對最小。由滑坡推力特點可知，抗滑樁側向受力明確，會存在明顯的拉壓分區(qū)，考慮加大受拉和受壓區(qū)配筋量，減少中性軸附近的配筋量，更符合結構受力特點；圓形非均勻配筋形式和矩形鋼筋籠形式能夠滿足這一要求，但施工難度相對較大。在受力特點不明確、難以確定拉壓分區(qū)時不宜采用圓形非均勻配筋形式；而矩形鋼筋籠形式可以根據需要在受拉受壓區(qū)差異性布筋，目前工程中圓形截面抗滑樁采用矩形鋼筋籠的案例較少，具體效果有待驗證。

由圖11鋼筋籠應力云圖可以看出，中性軸附近鋼筋所受應力相對于受拉和受壓側鋼筋很小。通過數(shù)值模擬結果可知：采用圓形非均勻配筋和矩形鋼筋籠形式，可以較大程度發(fā)揮鋼筋的作用。

4 結 論

基于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件在靜力荷載下分別對3種配筋形式的圓形截面抗滑樁與滑坡相互作用及鋼筋籠受力特點進行數(shù)值模擬和研究，得出以下結論。

（1） 加載過程中，3種配筋形式抗滑樁的樁頂、樁身以及坡腳的水平位移曲線規(guī)律基本一致，且矩形鋼筋籠抗滑樁支護模型的樁頂和坡腳的水平位移量最小，圓形非均勻配筋抗滑樁支護模型次之。

（2） 對于相同滑坡推力作用下，選用圓形非均勻配筋形式配筋量相對最小；選用圓形非均勻配筋形式和矩形鋼筋籠形式能夠較大程度發(fā)揮鋼筋作用。

（3） 在靜力荷載下，從位移特征和施工的便利性等方面綜合考慮，當配筋量不大時，可在準確定位情況下用圓形非均勻配筋；但在滑坡推力較大，需要配置多排鋼筋時，用矩形鋼筋籠形式更有利于鋼筋的布置。

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（編輯：李 慧）

Abstract：

As a way of anti-slide pile，circular cross-section anti-slide pile adopts mechanical hole forming can shorten the construction period and effectively avoid the risks of manual hole digging.Based on ABAQUS finite element software，the quantitative analysis and research were carried out on the displacement and stress characteristics of reinforcement under static load of landslide supported by anti-slide piles with three reinforcement forms （uniform reinforcement along the pile circumference，non-uniform reinforcement along the pile circumference and rectangular reinforcement cage）.The research results showed that：① Under the same load，the supporting effect of rectangular reinforcement cage anti-slide pile and circular non-uniform reinforcement anti-slide pile was relatively good；② The circular non-uniform reinforcement form and rectangular reinforcement cage form can play a greater role in reinforcement.③ When the amount of reinforcement was small，the circular non-uniform reinforcement form can be selected under the condition of accurate positioning，which met the requirements of bearing capacity and cansave the amount of reinforcement.However，when the landslide thrust and the amount of reinforcement were large，the rectangular reinforcement cage form was more conducive to the arrangement of reinforcement.

Key words：

anti slide pile； landslide； uniform reinforcement； non-uniform reinforcement； rectangular reinforcement cage