伊吾縣吐爾干溝渠首雙排樁治理邊坡的效果評價

雷亞嬌

（哈密水文勘測局,新疆 哈密 839000）

1 引言

雙排樁因阻滑效果好,而在邊坡和滑坡工程中應用廣泛,對此學者們也進行了大量的研究,宮鳳梧等[1]以張家口某支護工程為例,研究了雙排樁支護體系,研究結果表明：雙排樁的剛度對支護工程的穩定性有較大的影響。郭成超等[2]利用數值模擬軟件,對裝配式可回收的雙排樁進行了研究,研究結果表明：雙排樁的前排樁和后排樁的變形趨勢是一致的。邱紅勝等[3]以非線性算法,對雙排樁的位移進行了研究,研究結果表明：考慮樁土接觸面時計算雙排樁的位移更加符合實際。郭慶華等[4]以雙排樁的樁徑、樁距等作為變量,對雙排樁的支護形式進行了研究,研究結果表明：結合不同的巖土體,通過調整樁徑和樁距,可得到雙排樁支護的最優解。董薇等[5]利用數值模擬軟件,對不同排距條件下的雙排樁支護結構進行了研究,研究結果表明：增加排間距可有效地控制雙排樁的變形,提高支護結構的穩定性。張靜[6]提出了考慮地下水滲流影響的雙排樁計算式,并通過實例對該計算式進行了研究,研究結果表明：考慮地下水滲流影響條件時,雙排樁的變形更接近真實值。劉帥等[7]對雙排樁支護結構的影響因素進行了分析,分析結果表明：樁間距、前后排樁的距離和樁長是支護結構的最大影響因素,應當結合不同的巖土體選擇合適的樁間距、前后排樁距離等。董必昌等[8]研究了地震工況下雙排樁的支護結構,研究結果表明：雙排樁的樁排距為3～5 倍直徑時,支護結構的穩定性最優。黎子榮[9]對雙排樁的內支撐進行了研究,研究結果表明：內支撐的剛度和抗彎性對雙排樁的支護剛度影響最大。張京等[10]對雙排樁原圍護結構進行了研究,研究結果表明：圍護結構的應用利于控制巖土體的位移。

然而以上的研究對象多是基坑支護方面,雙排樁對于邊坡或滑坡的支護效果如何,對此本文結合一實際工程,利用數值模擬對雙排樁的支護效果進行研究。

2 工程概況

伊吾縣吐爾干溝渠首工程位于我國新疆地區,在連續下了2 天暴雨的情況下,工程附近邊坡下部出現了裂縫,待暴雨結束后施工單位及時進場,進行緊急加固,加固措施采用的是雙排樁,為防止邊坡因施工活動出現大規模的坡體滑動,采用機械鉆孔布樁。

經地質勘察,如圖1 所示,邊坡主要由風化土、風化巖和硬巖組成,采用的是雙排樁進行支護,結合地質勘察結果,潛在滑動面穿過雙排樁中部,以保證雙排樁發揮阻滑作用,巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 邊坡支護示意圖

3 剩余下滑力

結合地質勘察的潛在滑動面范圍、風化土的相關性質,利用瑞點條分法可對邊坡的剩余下滑力進行計算,計算結果見表2。

表2 剩余下滑力計算

如表2 所示,將潛在滑動區域共計劃分成11 個條塊,第9 個條塊區域為抗滑段,此區域約23 m,因為考察到此區域為抗滑段,因此將雙排樁設置于此區域,為了保證不對邊坡造成較大的擾動,采用機械挖掘的方式,快速鉆孔并施設抗滑樁,滑坡推力最終的計算數值為2930.3 kN/m,由此數值可知,設計單排樁阻滑效果不一定滿足工程要求,雙排樁是理想的支護方式,本文暫不考慮土拱效應的影響。

4 數值模擬

4.1 模型的建立

結合圖1、表1 的數據,數值模擬的模型見圖2,雙排樁在MIDAS GTS 中選擇的是植入式梁單元,截面積為8 m2,扭轉常量為7.31 m4,截面慣性矩y 軸方向為2.67 m4, z 軸方向為10.67 m4,有效剪切面積Y 軸方向為6.68 m2,剪切應力系數為0.19 m-1。

圖2 數值模擬實體圖

數值模擬統一選擇混合四面體網格單元,均采用1m 進行網格劃分,數值模擬共計6496 個單元,8334 個節點,數值模擬計算至模型結束時停止。

4.2 模擬的結果

4.2.1 位移分析

邊坡的豎向位移見圖3,邊坡的豎向位移主要集中于風化土區域,邊坡上緣豎向位移比較集中,最大豎向位移為6.4 mm,此區域約占整個邊坡巖土體的2%,邊坡巖土體豎向位移23%不超過3 mm,超過70%的巖土體豎向位移不超過1 mm,說明邊坡施加雙排樁以后,巖土體的豎向位移控制在合理的范圍內,滿足邊坡穩定性的要求。

圖3 邊坡的豎向位移（單位：m）

邊坡的水平位移見圖4,邊坡的水平位移主要集中于風化土區域,風化土區域中緣位移比較集中,最大水平位移為5.3 mm,此區域約占整個邊坡巖土體的3%,邊坡巖土體水平位移24%不超過4 mm,超過70%的巖土體水平位移不超過1 mm,說明邊坡施加完雙排樁以后,巖土體的水平位移控制在合理的范圍內,滿足邊坡穩定性的要求。

圖4 邊坡的水平位移（單位：m）

4.2.2 安全性分析

將數值模擬運行至邊坡平衡時結束,邊坡的剪應力變化見圖5,滑動面并未貫穿,說明施加雙排樁確實達到了理想的支護效果。另一方面,經過拆減系數法計算可知,施加完雙排樁后的邊坡的安全系數為1.41,此安全系數在規定的范圍內,但安全系數僅達到了規定安全系數的最小界,并沒有足夠的安全儲備,因此可考慮適當在坡面進行錨桿或錨索的施加,以提高邊坡的安全儲備,達到理想的支護目的。

圖5 邊坡剪應力變化

4.2.3 數值模擬總結

（1）邊坡的水平位移和豎向位移最大值分別為5.3 mm和6.4 mm,均不超過允許的最大位移范圍,從位移的角度上講是滿足工程要求的。

（2）通過邊坡的剪應力變化區域可知,邊坡的潛在滑動面并未貫通,說明雙排樁起到了阻滑的效果,安全性系數為1.41,盡管滿足邊坡支護后邊坡安全性要求,但是此安全系數過小,如果條件允許的情況下,應當適當增加支護措施,比如坡面處施加錨桿或錨索,或者將雙排樁的尺寸適當增大,以增加邊坡的安全儲備,達到支護的目的。

（3）邊坡的水平和豎向位移變化區域是相互對應的,說明邊坡的位移分析是正確的,應當對此區域的巖土體施加安全保護措施。此巖土體位移變化區域與邊坡的剪應力變化區域也是對應的,一定程度上說明數值模擬計算的有效性。

5 結論

邊坡在暴雨工況下,坡腳出現了位移變化,通過計算邊坡的剩余下滑力,對邊坡進行坡腳處雙排樁的施加,并通過數值模擬對施加支護措施的邊坡進行研究,研究結果表明：

（1）邊坡的水平位移和豎向位移是相互對應的,且均控制在合理的范圍內,從位移角度方面說明邊坡的支護措施是合理有效的。

（2）邊坡的剪應力區域并沒有貫通,一定程度上說明支護措施有效；從安全性角度出發,邊坡的安全性系數僅滿足工程要求的最低限,說明支護措施有待提高,可考慮在坡面施加錨索或錨桿,或者適當增加雙排樁的尺寸,以保證邊坡的安全系數滿足要求。

（3）本文研究的重點在于邊坡的位移和安全性,并沒有考慮雙排樁的受力,也沒有考慮土拱效應的影響,此方面的研究有待進一步深入。