復合地層下h型抗滑樁的受力特性及樁間距影響研究

姚偉懸

(江西省水務集團有限公司，江西 南昌 330201)

抗滑樁是目前在邊坡加固領域應用較廣的一種支護措施，其結構受力特性及樁間距選擇是影響其支護效果的關鍵因素。徐文剛等[1]通過有限差分軟件研究了結構參數對抗滑樁穩定性的影響。研究結果表明：彈性模量、耦合彈簧切向參數對樁身影響較小，而抗剪強度參數是影響抗滑樁支護效果的重要指標，邊坡穩定性與參數取值呈正比。侯小強等[2]基于滑坡推力梯形分布的特點，提出了鋸齒形抗滑樁的受力計算方程，對比分析了其力學特性。研究表明：抗滑樁剪力、彎矩與滑面傾角呈正比關系，滑面傾角為40°時，錨固段的理論最小長度為峰值，相比于其他形式抗滑樁，支護穩定性較好。王龍等[3]基于擬動力原理，研究了設置參數對抗滑樁加固邊坡的影響。研究結果表明：邊坡內基質吸力是影響邊坡穩定性的關鍵因素，當樁間距小于等于4m時抗滑樁設置在邊坡中上部時，支護效果最佳。鄧友生等[4]采用數值模擬及模型試驗的方法，研究了弧形抗滑樁結構參數對支護效果的影響。結果表明：冠梁是影響抗滑樁受力的關鍵因素，實際工程中應將抗滑樁設置在坡腳處，此時邊坡穩定性最高。張海洋等[5]基于Euler-Bernoulli梁理論，提出了新型的抗滑樁受力計算模型，并基于實際工程案例驗證了計算過程可控制在數秒內。

總結前人研究可知，目前針對h型抗滑樁的研究相對較少，而考慮其樁間距對邊坡加固影響的研究亦較為缺乏。基于此，本文研究以某水庫邊坡為例，采用Flac3d有限差分軟件模擬了不同樁間距對h型抗滑樁支護效果的影響，從剪力、彎矩和位移等多個角度分析了抗滑樁的受力特性。研究結果可為h型抗滑樁的實際應用提供理論依據和參考價值。

1 工程概況

1.1 邊坡概況

本文研究以某水庫邊坡為研究對象，如圖1所示，邊坡模型尺寸為90m×2m×45m，邊坡上層以中風化泥巖為主，下伏弱風化砂巖。泥巖外觀為紫紅色，巖質較軟，易風化剝落和遇水崩解；砂巖多為長石石英砂巖，淺灰、紫紅色，中-細粒結構，質稍硬。而邊坡中間含有一層厚度約為1m的軟弱夾層，巖體風化呈土狀。采用Flac 3D進行建模后，模型中共有16458個節點，13458個網格單元，模型底面全約束，左右邊界采用法向約束，坡面為自由約束。如圖1所示。

圖1 邊坡示意圖

1.2 數值模擬參數取值

為確保文本研究符合實際情況，邊坡模型參數設置與實際模型一樣，再根據野外地勘資料及室內泥巖、砂巖及軟弱夾層的物理力學試驗，確定邊坡材料參數，邊坡的主要物質組成的物理力學參數見表1。

表1 邊坡物質組成物理力學參數表

本文研究中，采用截面尺寸(b×h)為1.5m×2m，連梁長度為4m的h型抗滑樁進行支護，前樁以及后樁長度均為18m。抗滑樁容重為2.5×103kg/m3，體積模量為1.45×1010Pa，剪切模量為1.15×1010Pa。h型抗滑樁施工時，前樁與后樁同時施工，樁孔開挖后，隨即進行連梁以下部分鋼筋綁扎與澆筑，再對連梁與后排樁懸臂段進行支模板、綁扎鋼筋、澆筑。

模型中抗滑樁單元與巖土體的接觸面的參數是影響邊坡穩定的關鍵因素，本文根據前人研究經驗以及Flac3d手冊，將抗滑樁與巖土體之間的接觸面的黏聚力和摩擦角設置為其附近材料抗剪強度的0.75倍。

2 數值模擬結果分析

2.1 h型抗滑樁支護前后邊坡穩定性分析

如圖2所示，邊坡在天然工況下將出現明顯滑面，最大剪應變增量位于滑面底部，即邊坡坡腳附近，數值達到0.134，說明邊坡貫通面已經生成，需要采取相應的支護措施。圖3為采用h型抗滑樁進行支護后的最大剪應變增量圖，可以看出，邊坡剪應變增量得到有效限制，最大剪應變增量僅為0.075，位于h型抗滑樁附近，表明邊坡穩定性得到有效提高，此時邊坡處于穩定狀態。進一步觀察邊坡發生最大剪應變的位置可知，h型抗滑樁周圍的泥巖剪應變增量最大，說明抗滑樁在支護邊坡時，通過抵抗邊坡剩余下滑力，集中作用于周圍巖體，引起周圍巖體產生較大剪應變[6-8]。

圖2 天然工況下最大剪應力增量

圖3 h型抗滑樁支護后邊坡最大剪應變增量

進一步分析天然工況下邊坡的位移特性，邊坡整體位移如圖4所示，邊坡的中風化泥巖區域出現較大位移，最大位移點位在邊坡坡腳，數值約為180mm，已超過邊坡最大允許位移10mm，說明邊坡處于不穩定狀態。在采用h型抗滑樁進行支護后，邊坡整體位移得到有效約束，最大位移僅為3.75mm，說明h型抗滑樁對約束邊坡整體位移起著關鍵作用。需要注意的是，采用抗滑樁支護后，邊坡最大位移點位發生了改變，從坡腳轉移至坡頂，這是因為抗滑樁在支護邊坡的同時，提高了抗滑樁附近巖土體的穩定性，在工程中該現象應引起重視。

圖4 天然工況下邊坡整體位移

圖5 h型抗滑樁支護后邊坡整體位移

2.2 h型抗滑樁受力及位移分析

分析支護結構的受力及位移特性有利于研究邊坡與結構之間的相互作用關系。如圖6所示，h型抗滑樁水平應力范圍2.5×104～3.12×105Pa，最大水平應力出現在h型抗滑樁的右上拐角以及左下拐角處，說明抗滑樁在邊坡推力的作用下，后樁頂部有發生變形破壞的可能，而抗滑樁其余位置應力均較小，結構處于穩定狀態。

圖6 h型抗滑樁水平應力

如圖7所示，h型抗滑樁水平位移范圍在7.5×10-3～3.75×10-2m，整體呈現從抗滑樁底部至頂部位移逐漸增大的趨勢，產生這一規律的原因是抗滑樁底部與基巖相嵌，底部受約束應力較大，而抗滑樁頂部抵抗變形能力較差，因此頂部位移最大，應重點監測抗滑樁頂部位移及應力，防止加固措施失效。

圖7 h型抗滑樁水平位移

2.3 h型抗滑樁前后樁彎矩分析

由前文研究可知，h型抗滑樁后樁是主要受力段，關注其彎矩沿深度變化規律對工程設計具有重要意義，如圖8所示，后樁彎矩趨勢圖共有3個反彎點，分別位于4.8、5.2、18m深度，其中最大彎矩點位位于18m深度。前樁彎矩如圖9所示，其彎矩變化趨勢較為簡單，僅有一個反彎點，位于12m深度，其上部結構主要受土壓力作用，而下部結構主要受拉力作用。

圖8 h型抗滑樁后排樁彎矩

圖9 h型抗滑樁前排樁水平位移

2.4 樁間距(前后樁)影響下的邊坡穩定分析

實際工程中，選用合適的樁間距進行邊坡支護既能有效約束邊坡滑動，亦能降低工程成本，起低碳環保效果。本研究設置了不同樁間距下的邊坡模型，結果見表2，在不采用h型抗滑樁的天然工況下，邊坡穩定安全系數僅為1.02，邊坡最大總位移達到180mm，最大有效塑形面積為2.01，說明此工況下，邊坡處于極不穩定狀態，需要采取相應的支護措施進行加固。當采用樁間距為10m的支護方式進行加固后，邊坡穩定安全系數達到為1.52，增加了約50%，邊坡最大總位移僅為4mm，減小了約97%，小于工程最大允許值10mm，最大有效塑性應變為0.552，減小了約75%，說明采用10m樁間距的h型抗滑樁進行支護能夠有效保障邊坡安全。

表2 不同樁間距下的邊坡的各項指標

盡管樁間距為10m時，邊坡處于穩定狀態，但不難看出，采用10m樁間距進行支護造成了一定的工程材料浪費。實際上，當采用4m的支護方式進行加固后，邊坡穩定安全系數達到為1.31，相較于天然工程增加了約28%，邊坡最大總位移僅為4mm，減小了約95%，小于工程最大允許值10mm，最大有效塑性應變為0.73，減小了約64%。綜合分析邊坡的3項指標來看，采用4m的h型抗滑樁間距時，邊坡穩定安全系數得到了明顯增大，最大總位移與有效塑性應變均有顯著下降，在綜合考慮邊坡治理效果以及材料成本的條件下，選用4m間距的h型抗滑樁最適用于該邊坡。

3 結語

為研究復合地層下h型抗滑樁的支護效果及受力特性，本文以某邊坡為例，采用Flac 3D軟件模擬抗滑樁的受力特性。得到以下結論：

(1)邊坡在天然工況下出現明顯滑面，最大剪應變增量位于坡腳附近，采用h型抗滑樁進行支護后，邊坡穩定性得到有效提高。

(2)h型抗滑樁水平應力范圍2.5×104～3.12×105Pa，最大水平應力出現在h型抗滑樁的右上拐角及左下拐角處。后樁頂部有發生變形破壞的可能，抗滑樁其余位置應力均較小，結構處于穩定狀態。水平位移呈現從抗滑樁底部至頂部位移逐漸增大的趨勢。應重點監測抗滑樁頂部位移及應力，防止加固措施失效。

(3)綜合分析邊坡的三項指標，采用4m的h型抗滑樁間距進行支護時，邊坡穩定安全系數得到了明顯增大，最大總位移與有效塑性應變均有顯著下降。