不同參數條件下抗滑樁的力學性狀分析

高超

【摘 ? ?要】：為了研究不同參數抗滑樁對邊坡加固效果的影響，選取不同截面形狀抗滑樁分別在相同截面積、抗彎剛度、不同樁間距和相同抗彎剛度、不同截面面積兩種情況進行數值模擬，運用強度折減法對樁-邊坡體系進行計算，分析安全系數隨抗滑樁截面形狀、樁間距、截面面積的變化趨勢，發現抗滑樁截面邊數目與邊坡加固效果之間的必然聯系，揭示不同截面形狀、截面面積和樁間距對抗滑樁內力、邊坡位移的影響規律。

【關鍵詞】：抗滑樁；樁間距；截面形狀；抗彎剛度；邊坡加固

【中圖分類號】：TU473.1【文獻標志碼】：A【文章編號】：1008-3197（2023）02-19-08

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.005

Analysis of Mechanical Properties of Anti-slide Pile under Different Parameters

GAO Chao

（China Railway Design Corporation， Tianjin 200063， China）

【Abstract】：In order to study the influence of different parameters of anti-slide pile on the slope reinforcement effect， the paper selectes anti-slide piles with different section shapes for numerical simulation under the two conditions of the same sectional area， bending stiffness， different pile spacing， same bending stiffness and different section area. By using the strength reduction method to calculate the pile-soil unit， the paper analyzes the variation trend of safety coefficient with section shape， pile spacing and section area of anti-slide pile， discovers the inevitable relation between the number of sides of anti-slide pile section and the reinforce effect of slope and reveals. The influence law of different section shapes， section areas and pile spacing on internal force and slope displacement of anti-slide piles.

【Key words】：anti-slide pile; pile spacing; cross-section shape; flexural rigidity; slope reforcement

抗滑樁以抗滑能力大、樁位布置靈活、支擋防護效果好等特點，被廣泛應用到各種邊坡防護工程。實際工程中，抗滑樁截面形狀多種多樣，樁間距布設等也沒有確定的方案，研究抗滑樁截面形狀、樁間距、截面面積等參數對維護邊坡穩定、降低工程造價等具有重要意義。目前，國內外已有不少學者開展了抗滑樁不同參數對邊坡加固效果影響的相關研究。Cai F等[1]、 Ugai K等[2]對樁-邊坡體系進行了相應的理論計算并對抗滑樁部分參數進行了分析，發現抗滑樁抗彎剛度和樁頂條件對邊坡穩定性影響比較大，合理設計錨固端長度可有效降低成本。周記名[3]、司光武[4]、朱興帥[5]、李賢等[6]、鄭百錄等[7]、年廷凱等[8]借助數值模擬、模型試驗等方法，就不同截面形狀抗滑樁的受力以及破壞機理進行了研究，發現矩形和圓形群樁承受滑坡推力基本相近，對樁間土拱效應的形成有一定影響；圓形抗滑樁在施工過程中安全性更高，而矩形抗滑樁的受力更好。李浩等[9]、丁橋軍等[10]、謝明星等[11]采用單因素分析法，研究了不同樁間距對邊坡位移、安全系數、樁身土壓力等的影響，發現樁間距變化對樁身彎矩影響較小，不同深度樁身土壓力受樁間距的影響較為明顯。

目前對抗滑樁截面形狀的研究大多集中于矩形和圓形，對正方形、正六邊形、正五邊形等不同截面形狀抗滑樁加固效果的研究較少，針對抗滑樁加固效果與截面邊數、截面面積、抗滑樁截面形狀與合理樁間距間的相互聯系也沒有定論，本文選取5種截面形狀和5種樁間距，研究不同參數抗滑樁對邊坡加固效果的影響規律。

1 模型建立

采用典型邊坡算例[12～13]，抗滑樁加固于主滑區，模型長L為35 m、高H為20 m、進深W為10 m，主滑段坡比為1∶1.5，滑坡體抗滑區水平長度L1為10 m，主滑區長L2為15 m，后緣區長L3為10 m；抗滑樁長度統一取Lp為15.5 m，樁心距坡腳水平距離LX為10.5 m，樁心間距S分別取3、3.5、4、4.5、5 m。見圖1和表1。

選取截面面積為1 m2，截面形狀為正方形、長方形、正六邊形、正五邊形、圓形，樁間距為3、3.5、4、4.5、5 m研究不同截面形狀抗滑樁在不同樁間距下邊坡加固效果；選取截面形狀為正方形、長方形、正六邊形、圓形研究相同抗彎剛度、不同截面形狀的抗滑樁在不同橫截面積下邊坡加固效果。建立模型時遵循參數一致原則，共需建立29個分析模型。見圖2。

模型四周邊界均為約束法向位移，底面為固定約束。樁-邊坡體系以樁體側面和底面為主控面，巖體表面為從屬面，采用面面離散分析，法向定義為硬接觸，切向摩擦系數均設為0.51，樁與巖體均采用六面體、C3D8單元進行計算。見表2。

2 計算結果分析

2.1 抗滑樁參數對安全系數影響

對數值模型進行強度折減，計算不收斂時安全系數隨抗滑樁截面形狀和樁間距變化關系。見表3和圖3。

樁間距相同，隨著抗滑樁截面邊數的增加，安全系數逐漸降低，當邊數趨近無線多時，截面形狀趨近圓形，此時安全系數最小。若邊坡滑動方向已知，長方形抗滑樁為最優選擇；若滑動方向未知，正方形抗滑樁為最優選擇。由于抗滑樁塑性變形較小，可近似看做剛性擋墻，在滑動方向已知的情況下，垂直滑動面邊與平行滑動面邊比值越大，墻面越寬，滑動位移越小，抗滑能力越強，安全系數越大。

截面形狀相同，隨著樁間距逐漸增大，安全系數逐漸減小，當樁間距無限大時，相鄰兩樁互相影響忽略不計，可近似看做單樁作用，此時安全系數最小。截面形狀為正方形和長方形、樁間距＜4 m時，安全系數變化趨勢較慢；樁間距超過4 m后，安全系數下降趨勢較快；樁間距宜設為4 m。截面形狀為正五邊形和正六邊形、樁間距＜4.5 m時，安全系數變化較小；超過4.5 m時，安全系數變化較大；樁間距宜設為4.5 m。截面形狀為圓形時，為防止邊坡失穩，樁間距宜≥5 m。不難發現，隨著截面邊數逐漸增大，最優樁間距有逐漸遞增，當樁間距過分增大，會導致邊坡穩定性反而下降；因此抗滑樁間距應在一定范圍，與工程實踐相符。

2.2 抗滑樁接觸應力隨抗滑樁參數變化規律

以抗滑樁前后為路徑，分別提取計算結果不收斂時樁兩側的接觸應力。見圖4和圖5。

抗滑樁底應力較集中且不受截面形狀和樁間距的影響。在工程實踐中，為防止應力過大造成底部折樁，應適當增加抗滑樁底部強度。樁間距對抗滑樁應力分布情況幾乎沒有影響，截面形狀對抗滑樁應力分布有較明顯影響；樁前和樁后隨樁間距的變化趨勢基本相同，但樁前接觸應力近似為樁后接觸應力的2倍，這是由于抗滑樁型心距離坡腳水平距離較大，而距離坡頂水平距離較小；另外，相同樁間距下，正方形最大接觸應力最大，圓形接觸應力較小，間接可以說明隨著截面邊數增加，接觸應力出現逐漸縮小的趨勢。

接觸應力均在距樁頂4～12 m出現較大波動，整體應力峰值均隨樁間距增大出現減小的趨勢，增大到一定程度接觸應力變化趨于平緩。截面形狀為正方形和長方形、樁間距＜4 m時，接觸應力減小趨勢較為明顯，超過4 m后變化幅度較小；截面形狀為正五邊形和正六邊形、樁間距＜4.5 m時樁兩側接觸應力變化較小，超過4.5 m時變化幅度較大；截面形狀為圓形、樁間距3～5 m范圍內接觸應力均有較明顯減小趨勢；因此圓形抗滑樁間距應＞5 m。接觸應力隨樁間距變化規律基本與安全系數隨樁間距變化情況相符，證明了結論的可靠性。

2.3 坡體變形隨抗滑樁參數變化規律

選取坡腳任一點，研究不同時間下，樁間距與樁截面對坡體水平位移影響。見圖6。

坡體整體位移方向不隨截面形狀和樁間距發生變化，均向左。相同樁間距下，長方形截面加固效果最理想；圓形截面坡體變形較大，綜合考慮施工不便等因素，工程實踐中應盡量避免使用圓形抗滑樁。從正方形到圓形，截面邊數逐漸增加，坡體位移逐漸變大；可近似看做截面邊數與坡體加固效果負相關。

隨計算時長增加，坡體位移增大；從時長1.600 00開始，位移出現較大變化且隨樁間距增加，位移突變出現時間逐漸提前。不同截面形狀抗滑樁對樁間距變化的敏感度不同，正方形和長方形截面在樁間距＞4 m后位移變化較小；正六邊形截面抗滑樁在樁間距＞4.5 m后位移基本不變，與由安全系數和接觸應力得到的不同截面形狀抗滑樁最優樁間距基本相同。

2.4 相同安全系數下抗滑樁內力及位移分布規律

為研究不同截面抗滑樁兩側內力隨安全系數變化規律，分別提取單抗滑樁在折減系數分別為1.25、1.45時樁的接觸應力和水平剪力（當樁間距為無限遠時，樁間影響較小，可近似作為單樁處理）。見圖7-圖10。

相同折減系數，截面形狀對樁身內力分布幾乎沒有影響，這是由于樁長、巖體一定情況下，巖體作用于抗滑樁的接觸力不變，故在不考慮樁的微變形情況下，樁身內力分布情況也是一定的；相同樁身，折減系數越高，應力越集中，樁后應力集中程度越強。隨著邊數增多，截面越趨近于圓形，此時應力呈圓弧狀。

折減系數1.25，隨著截面邊數增多，抗滑樁位移在一定程度上有逐漸減小的趨勢且方形截面整體變形幅度較大，這是由于方形較圓形抗滑樁更容易出現應力集中，從而對樁體產生幅度較大的變形，與實際情況相符。見圖11。

當折減系數從1.25增長到1.45，縱向沿著樁身的剪力峰值提高幅度超過40%；圓形截面剪力峰值提高幅度最大，為46.14%。但實際工程中，抗滑樁所能承受的剪力存在上限值，超過會發生塑性變形甚至破壞。見圖12。

同抗彎剛度下，截面形狀對樁水平位移方向和位移分布幾乎沒有影響，較大水平位移均在樁頂；矩形比圓形抗滑樁樁身位移大。見圖14。

四種截面樁中，從正方形到圓形樁兩側接觸應力峰值依次增大，水平剪應力依次減小，內力分布情況基本相同，樁前側接觸應力和水平剪應力較大變化均在距樁頂4～12 m位置。可近似認為，隨著截面邊數增多，接觸應力逐漸增大，水平剪應力逐漸減小。這是由于隨著截面邊數增大，抗滑樁截面逐漸趨于圓形，圓形樁承受較大接觸應力，承受剪力相應較小，與實際情況相同。見圖15和圖16。

3 結論

1）相同樁間距下，隨著抗滑樁截面邊數增加，安全系數逐漸降低，當邊數趨近無限多時，截面趨近圓形，安全系數最小。若邊坡滑動方向已知，長方形抗滑樁為最優選擇；若滑動方向未知，正方形抗滑樁為最優選擇。由于抗滑樁塑性變形較小，可近似看做剛性擋墻，在滑動方向已知的情況下，垂直滑動面邊與平行滑動面邊比值越大，墻面越寬，滑動位移越小，抗滑能力越強，安全系數越大。相同抗滑樁截面形狀下，隨著樁間距逐漸增大，安全系數也逐漸降低，當樁間距無限大時，相鄰兩樁互相影響忽略不計，可近似看做單樁作用，此時安全系數最小。

2）截面形狀為正方形和長方形時，最優樁間距近似為4 m；截面形狀為正五邊形和正六邊形時，最優樁間距近似為4.5 m截面形狀為圓形時，樁間距至少應＞5 m。由此可知：隨著截面邊數逐漸增大，最優樁間距有逐漸增大的趨勢，但間距過分大會導致邊坡穩定性下降，因此抗滑樁間距應在一定范圍。

3）應力集中在樁底位置不受截面形狀和樁間距影響；工程實踐中，為防止應力過大底部折樁，應適當增加抗滑樁底部強度。樁間距對抗滑樁應力分布情況幾乎沒有影響，截面形狀對抗滑樁應力分布有較明顯影響；樁前和樁后隨樁間距的變化趨勢基本相同，但樁前接觸應力近似為樁后接觸應力的2倍。另外，相同樁間距下，正方形最大接觸應力最大，圓形接觸應力較小，間接可以說明隨著截面邊數增加，抗滑樁接觸應力出現逐漸縮小的趨勢。

4）邊坡整體位移方向不隨截面形狀和樁間距發生變化，均向左。相同樁間距，長方形截面加固效果最理想；圓形加固變形較大，綜合考慮圓形狀施工不便等因素，應盡量避免使用圓形抗滑樁。抗滑樁加固邊坡中，截面形狀從正方形到圓形，截面邊數逐漸增加，坡體位移逐漸變大；可近似看做截面邊數與坡體加固效果負相關。隨計算時間的增加，坡體位移增大，從計算時長1.6開始，位移均變化較大且隨著樁間距在一定范圍內的變化，位移突變情況出現時間逐漸提前。

5）相同折減系數下，不同截面形狀對樁身內力分布幾乎沒有影響，在不考慮樁的微變形情況下，樁身內力分布情況是一定的。在相同樁身處，抗滑樁安全系數越高，應力越集中，樁后應力集中程度越強。隨著邊數增多，截面越趨近于圓形，此時應力呈圓弧狀。此外，隨著截面邊數增多，抗滑樁位移在一定程度上有逐漸減小趨勢且方形抗滑樁整體變形幅度較大；這是由于方形抗滑樁較圓形樁容應力更易集中。縱向沿樁身剪力峰值隨折減系數增大而增大；實際工程中，抗滑樁所能承受的剪力存在上限值，當達到抗滑樁所能承受的范圍時抗滑樁將會發生塑性變形甚至破壞。

6）相同抗彎剛度條件下，正方形和長方形安全系數均大于正六邊形和圓形截面樁，可近似認為隨著截面邊數增加安全系數逐漸減小，接觸應力逐漸增大，水平剪應力逐漸減小；抗滑樁截面對樁水平位移方向和位移分布幾乎沒有影響，不同截面樁較大水平位移均樁頂且矩形抗滑樁比圓形抗滑樁樁身位移大。

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