基于ABAQUS的抗滑樁設計優化分析

黎志源

(淮安市水利規劃設計研究院有限公司 廣州分公司,廣州 510610)

1 概 述

抗滑樁是邊坡工程中應用廣泛的一種抗滑措施,其主要作用是通過樁與土體之間的摩擦和承載力來增強邊坡的穩定性,防止邊坡發生滑坡、塌方等事故[1]。在20世紀60年代早期,抗滑樁技術被用于日本和歐美等地的邊坡支護處理,之后該方法得到世界各地的推廣和使用[2]。作為一種廣泛使用的邊坡支護措施,抗滑樁具有性能好、施工簡單、價格低廉等特點。抗滑樁的樁身通常為光滑的圓形或方形截面,通過樁身與土壤之間的摩擦力來傳遞荷載。相對于其他深基礎,抗滑樁能夠提供更好的抗滑性能。

抗滑樁的設計需要考慮多個因素,如邊坡高度、坡度、土體性質、地下水位等,通常采用平衡法、有限元法、試驗法等方法[3]。其中,平衡法是應用最廣泛的方法之一,其基本原理是通過平衡邊坡和抗滑樁之間的受力關系來確定抗滑樁的數量、位置和直徑等參數[4]。有限元法可以更加精確地模擬邊坡和抗滑樁之間的相互作用,對于復雜的工程情況具有較好的適用性[5]。彭瑜等[6]通過理論分析,計算了梯形斷面抗滑樁最優樁間距,研究得出抗滑樁傾角與間距具有正相關關系,并給出了最佳傾角范圍。譚朝瑞等[7]采用數值模擬法,分析了抗滑樁與土體之間的相互作用,結果表明抗滑樁在邊坡中部能提供最大的抗滑力。魏少偉等[8]通過物理模型試驗,研究了不同截面抗滑樁的受力特征,發現同等條件下,圓形抗滑樁比方形樁受力更均勻。

已有抗滑樁研究的相關文獻大多集中在研究均質土坡或多層土坡的加固,而對于含有巖層的邊坡研究較為有限。因此,本文針對抗滑樁的樁間距和彈性模量對含巖層邊坡的穩定性、抗滑樁內力以及撓度等方面的影響進行分析,為相關巖質邊坡抗滑樁支護工程提供設計理論依據。

2 工程概況

該滑坡的構成包括上下兩層巖性。上層巖性為黃色粉土黏土及碎石,厚度約5～15m;碎石粒徑在3～5cm之間。下層基巖主要是風化花崗巖,厚度較大且風化程度高,破碎程度也比較大,透水性強。各巖土層物理力學參數見表1。

表1 邊坡數值模型力學參數表

3 邊坡穩定性計算模型

本文采用ABAQUS方式對后坡進行加固,建立典型的三維防滑樁模型。在邊坡中布置抗滑樁,邊坡后緣及坡體水平長度15.0m,前緣及坡高10.0m,坡度1∶1.5。見圖1。

圖1 邊坡幾何尺寸及數值模型示意圖

在數值模型中,采用部分模型進行分析,以降低計算量,見圖1(a);并建立其數值網格模型,見圖1(b)。采用摩爾-庫倫作為失穩判據。抗滑樁邊坡數值模型左右端均設置成自由移動面,底部設置成固定約束。

4 樁間距與樁徑比優化分析

4.1 抗滑樁直徑對抗滑效果影響分析

通過改變樁間距,計算得到樁間距與樁徑比(S/D)隨安全系數Fs的變化曲線,見圖2。由圖2可以看出,隨著樁間距與樁徑比的增長,安全系數Fs逐漸減小。當樁間距與樁徑比在3～5之間時,安全系數Fs急劇下降;而在達到4之后,安全系數Fs下降幅度減緩,并逐漸接近未加固的情況。

圖2 邊坡安全系數Fs與樁徑比(S/D)變化曲線圖

安全系數Fs與樁間距與樁徑比的變化趨勢與樁間土拱效應的變化趨勢類似。樁后土拱的剛度隨樁間距與樁徑比的減小而增大。在兩個抗滑樁之間距離較小的情況下,樁后的土拱剛度較大,土拱效應也更加明顯。土拱效應會隨著樁間距與樁徑比的增大而逐漸減弱甚至消失。改變樁間距與樁徑比,實質上就是通過改變兩個抗滑樁之間的土拱效應來影響邊坡的加固效果。因此,邊坡穩定安全系數Fs隨樁間距與樁徑比的變化特點,基本上與樁間土拱效應隨樁間距與樁徑比變化一致。

根據表2的數據,當樁間距與樁徑比取值為3時,樁徑范圍為0.8～1.8m。此時,安全系數基本保持不變,此規律在樁間距與樁徑比取3、4、5、6時也適用。當樁間距與樁徑比分別取3、4、5、6時,改變樁徑不會對Fs隨樁間距與樁徑比變化的規律產生影響。因此,在研究樁間距對安全系數的影響時,可以直接以樁間距與樁徑比為研究對象,而無需考慮具體的樁徑和樁間距。這樣有助于研究更加方便,并可將研究結果推廣到不同樁徑的情況下,這與抗滑樁直徑改變不會影響兩樁之間土拱發育規律的情況類似。因此,可以直接研究樁間距與樁徑比對樁間土拱的影響。

表2 不同直徑邊坡安全系數表

從圖3可知,在一定的樁間距范圍內,在樁間距與樁徑比相同的情況下,抗滑樁的支護效果相同,但使用截面尺寸較小的抗滑樁可以節省材料。因此,可以考慮將大尺寸樁徑的抗滑樁和小尺寸樁徑抗滑樁配合設計。

圖3 不同樁徑位置示意圖

4.2 樁間距與樁徑對樁身內力與撓度的影響

抗滑樁的荷載和變形有限度,若內力或撓度超出限度,則會導致塑性應變或斷裂。在優化抗滑樁時,需考慮其對邊坡加固的影響和自身安全性。由圖4可知,改變樁間距與樁徑比值,并求出不同情況下的彎矩、剪力和撓度。隨著樁間距與樁徑比的增加,抗滑樁的內力峰值也增加。但當樁間距與樁徑比>5之后,峰值基本不變。其原因是樁間距與樁徑比較小時,樁后土拱所承擔的下滑力較小,因此抗滑樁內力峰值也較小。樁間距與樁徑比較大時,土拱所分擔的下滑力較大,因此抗滑樁的內力峰值較大。

圖4 抗滑樁內力與撓度變化曲線

然而,當樁間距與樁徑比大于一定值(如>5)時,土拱效應消失,抗滑樁只承擔樁周土體下滑力,內力峰值減少并趨于穩定。此外,樁間距與樁徑比為5,優于樁間距與樁徑比為3。因為在相近的支護效果情況下,樁間距與樁徑比為6時,具有較為明顯的工程造價優勢;但樁間距與樁徑比為3時,邊坡安全系數較大。

4.3 抗滑樁支反力與橫向位移分析

抗滑樁的樁身剪力曲線在不同的樁間距與樁徑比下幾乎重疊。這并非由于不同樁間距與樁徑比下的樁身剪力相同,而是由于在樁頭以下12m左右,樁身剪力值急劇增大,使淺部和深部的剪力差異相對微小,從而導致幾條關系曲線重合。見圖5。

圖5 抗滑樁支反力與橫向位移云圖

由圖5(a)可知,由于有限元計算是以連續體假設為基礎,巖石與土體在巖土分界面上具有相同的應變能力。考慮到巖石與土體的彈性模量相差超過1 000倍,巖石所承受的應力相對于巖石在巖土界面上所承受的應力,根據胡克定律,會發生突變。于是,界面石承受的外力陡然加大。因此,在設計防滑樁時,如果有需要的話,可以對抗滑樁進行局部加固處理。

從圖5(b)可以看出,與水平方向抗滑樁橫向位移相類似的抗滑樁,在樁頭處可獲得最大撓度值。抗滑樁的樁頭撓度在樁間距離不同的情況下,最大可達樁徑的12%,約120mm。需要注意的是,當樁間距與樁徑比超過5時,抗滑樁撓度值逐漸趨同。因為當樁間距與樁徑比為3時,抗滑樁承受的下滑力較小,導致抗滑樁的橫向變位較小,樁頭撓度也相對較少。當樁間距與樁徑比大于3時,抗滑樁會承受更大的下滑力,導致樁撓度更大。

5 結 論

本文利用ABAQUS軟件建立了三維邊坡模型,并利用抗滑樁進行加固,分析了抗滑樁間距、樁徑與間距之比對抗滑樁支護效果的影響。結論如下:

1)隨著間距與樁徑比的增加,抗滑樁邊坡體系穩定系數逐漸減少,減幅呈先大后小的趨勢。當間距與樁徑比達到一定值時,抗滑樁邊坡體系傾向于未加固狀態。最優比值間距與樁徑比為3～5,同時考慮到嵌巖抗滑樁的加固效果及其材料成本等因素。此外,為避免材料浪費,可根據實際情況,選擇粗細樁搭配使用。

2)隨著樁間距與樁徑比的增加,抗滑樁所受應力急劇增大。但當間距與樁徑比大于3時,抗滑樁所受最大應力幾乎不變。此外,當樁間距與樁徑比大于3時,抗滑樁會承受更大的下滑力,導致抗滑樁可能發生失穩破壞。