基于Midas的h型抗滑樁數值模擬研究

羅登品

(廣西河池市公路事業發展中心,廣西 河池 547099)

0 引言

近年來,隨著我國基礎設施的大規模建設,邊坡治理工程增多。h型抗滑樁因具有自身結構剛度大、抵抗滑坡推力能力強、治理邊坡效果顯著等優點,在邊坡治理中得到廣泛應用。為此,眾多學者們對h型抗滑樁進行了大量的研究。管永偉[1]利用數值模擬技術,對h型抗滑樁治理邊坡工程進行了研究,結果表明:h型抗滑樁前后排樁在結構上具有較好的協同作用,且數值模擬結果與實際工程效果相近。王晨濤等[2]利用理論分析與現場監測相結合的方法,對h型抗滑樁的分析方法及其在邊坡治理中的應用進行了研究,結果表明:提出的理論分析方法與實測值基本吻合,且邊坡經h型抗滑樁支護后,邊坡位移顯著減小。顧博凱[3]利用Midas GTS軟件,對h型抗滑樁支護開挖邊坡進行了數值模擬研究,結果表明:經h型抗滑樁支護后,邊坡的位移均在合理的范圍內,邊坡穩定性顯著提升。劉松等[4]利用數值模擬技術,建立h型抗滑樁支護邊坡模型,對h型抗滑樁的內力與坡體治理效果進行了研究,結果表明:h型抗滑樁在治理坡面不能防護的邊坡時,治理效果顯著。趙玉博等[5]利用FLAC 3D軟件,分別對單樁與h型抗滑樁的滑坡治理效果進行了研究,結果表明:與單樁相比,h型抗滑樁在限制坡體位移方面表現更顯著,滑坡治理效果更佳。何志俊[6]利用數值模擬技術,對h型抗滑樁優化設計進行了研究,結果表明:臂段長度及錨固深度的合理尺寸分別為15 m和13 m。

以上研究從多個方面對h型抗滑樁進行了深入分析,然而只是針對h型抗滑樁某些特征的研究,如只針對樁身位移或只針對限制邊坡位移等。關于h型抗滑樁完整數值模擬的研究,應包含h型抗滑樁的樁身位移、樁身內力以及邊坡治理效果的分析。基于此,本文結合廣西南寧市某具體公路邊坡治理工程,利用Midas軟件,建立h型抗滑樁治理邊坡模型,對h型抗滑樁的樁身位移、樁身內力以及邊坡治理效果進行數值模擬研究,研究成果可為治理類似邊坡時h型抗滑樁的選用提供參考。

1 工程概況

該公路邊坡工程位于廣西南寧市,邊坡地形地貌為構造侵蝕-剝蝕中低山,自然坡度為20°～35°。坡頂植被較為發育,以灌木為主,夾雜少量草、小喬木。邊坡上部土層為風化土,分布于坡體及坡頂表層,黃褐色-紅褐色,可塑狀,層厚度為4～17 m;中部為風化巖,全場地分布,灰黃色-青灰色,巖石組織結構大部分破壞,礦物成分顯著變化,巖芯多呈碎塊,頁理十分發育,層厚度為21～45 m,礦物成分顯著變化,但仍能分辨其原始結構;風化土與風化巖局部接觸區域有軟弱夾層,夾層為黑色,層狀、薄層狀構造,由炭質及泥質構成,含碳量高,質地極軟,鉆進快,最大層厚為8.5 m;下部為軟巖,全場地分布,青灰色,細粒結構,薄層狀構造,絲絹光澤,主要由泥質、鈣質組成,可見少量方解石細脈,頁理清晰,節理、裂隙較發育,巖芯多呈短柱狀、餅狀。經現場勘測與滑坡推力計算分析得,該滑坡為大推力滑坡,工程人員決定采用正放h型抗滑樁進行治理。正放h型抗滑樁設置在坡腳附近,且后排樁樁身緊靠軟弱夾層右邊界,邊坡最危險截面如圖1所示。

圖1 邊坡最危險截面圖

h型抗滑樁混凝土強度等級為C30,抗滑樁前排樁樁長為20 m、后排樁樁長為28 m,樁身截面尺寸與連梁截面尺寸均為2 m×3 m,連梁長度為6 m。抗滑樁前后排樁樁底水平高度相同,連梁水平,連梁左端與前排樁樁頂連接,連梁右端與后排樁埋深8 m位置處連接,h型抗滑樁與巖土體物理力學參數如表1所示。

表1 h型抗滑樁與巖土體物理力學參數表

2 有限元模型的建立

本文采用Midas GTS軟件,建立h型抗滑樁支護邊坡模型。其中,邊坡巖土體材料選用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)本構模型,按2D平面應變考慮;h型抗滑樁材料選用線彈性本構模型,按1D植入式梁單元考慮。模型左邊界高為93 m,長度為171 m,右邊界高為38 m。為保證計算結果的準確性,模型以單元尺寸為2 m進行網格劃分。考慮到抗滑樁與巖土體不同屬性單元之間接觸的受力均勻問題,在抗滑樁與巖土體接觸處共用單元節點。抗滑樁連梁與前后排樁的連接均為剛性連接,能夠保證同時傳遞彎矩與剪力。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

3 數值模擬結果分析

通過有限元軟件運算求解,得出h型抗滑樁的樁身位移、樁身彎矩、樁身剪力、樁身軸力、邊坡治理效果,并依次對各種結果進行分析。

3.1 h型抗滑樁樁身位移分析

h型抗滑樁的樁身位移圖如圖3所示。由圖3可知,h型抗滑樁樁身最大位移發生在后排樁樁頂,樁頂最大位移為4.7 cm,滿足規范要求的樁頂最大位移不大于自由段的1/100且≤10 cm的要求;正放h型抗滑樁的前排樁與后排樁樁身位移均隨埋深的增加而減小,且后排樁在連梁連接位置處,樁身位移顯著減小;埋深在連梁位置以下時,h型抗滑樁的前排樁與后排樁樁身位移基本相同;由于軸向變形很小,連梁各位置的位移基本相同,位移為3.2 cm附近;在各自錨固深度處,正放h型抗滑樁的前排樁與后排樁的樁身位移均較小,這與錨固段巖層的巖土體性質相關。

圖3 正放h型抗滑樁的樁身位移云圖

3.2 h型抗滑樁樁身彎矩分析

h型抗滑樁的樁身彎矩圖如圖4所示。由圖4可知,h型抗滑樁前排樁的樁身最大彎矩出現在樁頂,前排樁最大彎矩為9.6 kN·m;前排樁樁身彎矩為零的位置有一處,彎矩為0的位置距前排樁樁頂7.9 m;正放h型抗滑樁后排樁的樁身最大彎矩出現在其埋深為8 m位置處,后排樁樁身最大彎矩為4.1 kN·m;在埋深0～8 m范圍內,后排樁彎矩隨埋深的增加而增加;在與連梁連接位置處,后排樁樁身彎矩發生突變;后排樁樁身彎矩為0的位置有兩處,兩處彎矩為0的位置分別距后排樁樁頂8 m與15 m;h型抗滑樁整體的樁身最大負彎矩出現在后排樁上;深度在與連梁連接的位置下時,h型抗滑樁的前排樁與后排樁的樁身彎矩分布形式基本相同,均為類半“S”形式分布。

圖4 正放h型抗滑樁的樁身彎矩云圖

3.3 h型抗滑樁樁身剪力分析

h型抗滑樁的樁身剪力圖如圖5所示。由圖5可知,h型抗滑樁前排樁的樁身最大剪力出現在其樁頂處,前排樁樁身最大剪力為1.5 kN;前排樁樁身剪力為0的位置有一處,剪力為0的位置距前排樁樁頂16 m;h型抗滑樁后排樁的樁身最大剪力出現在其埋深為18 m位置處,后排樁樁身最大剪力為1.1 kN;在與連梁連接位置處,后排樁樁身剪力發生突變;后排樁樁身剪力為0的位置有3處,剪力為0的位置分別距后排樁樁頂8 m、10 m、22 m,h型抗滑樁整體的樁身最大正剪力與樁身最大負剪力均出現在前排樁上;從整體上看,h型抗滑樁的前排樁與后排樁的樁身剪力分布形式差異明顯,前排樁剪力呈現先減小、后反向增大的形式。

圖5 h型抗滑樁的樁身剪力云圖

3.4 h型抗滑樁樁身軸力分析

h型抗滑樁的樁身軸力圖如圖6所示。由圖6可知,前排樁的樁身最大軸力出現在樁頂處,樁身最大軸力為2.6 kN;從樁頂至樁底,抗滑樁前排樁樁身始終受壓,前排樁樁身軸力整體上逐漸減小;后排樁的樁身最大軸力出現在其埋深為8 m位置處,后排樁樁身最大軸力為1.9 kN;在后排樁埋深0～8 m范圍內,樁身軸力很小,軸力≤0.04 kN;在與連梁連接位置處,后排樁樁身軸力發生突變,樁身由受壓變為受拉;在后排樁埋深8～28 m范圍內,樁身軸力整體上保持逐漸減小的趨勢;在樁身錨固段范圍內,正放h型抗滑樁的前排樁與后排樁的樁身軸力均明顯較抗滑段更小。

圖6 h型抗滑樁的樁身軸力云圖

3.5 邊坡治理效果分析

天然工況下與h型抗滑樁支護工況下邊坡有效塑性應變云圖如圖7所示。由圖7(a)可知,天然工況下邊坡最大有效塑性應變為0.22,最大有效塑性應變發生在軟弱夾層區域;塑性應變區域主要集中于軟弱夾層以及風化土與風化巖接觸區域,從坡頂至坡腳,邊坡有效塑性應變呈現先增大再減小的趨勢。由圖7(b)可知,h型抗滑樁支護工況下,邊坡最大有效塑性應變為0.01,最大有效塑性應變仍發生在軟弱夾層區域,有效塑性應變明顯的區域較小。綜合圖7(a)、(b)可知,經正放h型抗滑樁支護后,邊坡有效塑性區域被阻斷,邊坡有效塑性應變明顯減小。

(a)天然工況

不同工況下邊坡最大總位移與穩定安全系數如后頁表2所示。由表2可知,天然工況下,邊坡最大總位移達37 mm,邊坡穩定安全系數僅為1.03,邊坡處于極不穩定狀態;h型抗滑樁支護工況下,邊坡最大總位移為7 mm,較天然工況下減小了81.1%,邊坡穩定安全系數為1.38,較天然工況下提升了25.4%。

表2 不同工況下邊坡最大總位移與穩定安全系數表

綜上所述,h型抗滑樁的樁身位移能較好地滿足規范的要求;由于連梁的存在,使前后排樁能形成空間整體結構,進而使h型抗滑樁的樁身彎矩分布較為均勻;前排樁與后排樁樁身剪力分布形式基本相同;同水平高度處,h型抗滑樁前排樁樁身軸力與后排樁樁身軸力方向相反;經h型抗滑樁支護后,邊坡總位移顯著減小,邊坡穩定安全系數顯著提升,邊坡治理效果較優。

4 結語

本文基于Midas GTS軟件,建立h型抗滑樁治理公路邊坡的模型,進而對正放h型抗滑樁的樁身位移、樁身內力以及邊坡治理效果進行了全面的分析,可以得出如下結論:

(1)針對此邊坡治理工程,h型抗滑樁樁頂最大位移為4.7 cm,滿足規范要求。

(2)h型抗滑樁中,連梁起到協調樁身內力的作用,使樁身內力分布更加均勻,更加充分發揮前后排樁的整體抗滑作用。

(3)采用h型抗滑樁支護后,邊坡總位移減小了81.1%,邊坡穩定安全系數提升了25.4%,邊坡治理效果顯著。