抗滑樁在水利工程邊坡支護中的應用分析

楊 奎

(黔西南州興源水利電力勘察設計有限公司,貴州 興義 562400)

1 概 述

h形抗滑樁是一種防止土體滑動的支護結構,具有較強的抗震、抗側移能力且適用性較廣的特點。目前,隨著城市化進程加快,基礎設施建設需求增加,h形抗滑樁在水利、市政等領域得到廣泛應用。

本文結合水利工程中的邊坡治理工程,利用有限元軟件MIDAS GTS,建立不同連梁剛度h形抗滑樁支護邊坡的模型,對連梁剛度對h形抗滑樁樁身位移、內力以及邊坡治理效果進行分析。

2 工程概況

邊坡工程位于貴州省興義市,邊坡涉及的主要巖土體類型分別為風化土、風化巖、軟巖,各種巖土體層厚差異明顯。其中,風化巖層厚最大,為18.9～40.3m;其次為軟巖,層厚為9.07～35.8m;風化土層厚最小,為2.82～18.9m。3種主要巖土體均為全場地分布,邊坡巖土體與抗滑樁物理力學參數見表1。

表1 邊坡巖土體與抗滑樁物理力學參數

根據現場勘測結果,采用h形抗滑樁對該實例邊坡進行支護。h形抗滑樁前后排樁的截面尺寸均為寬×高=2m×4m,前后排樁間凈距為8m,連梁頂面在豎直方向上距后排樁樁頂8m,前排樁樁長為22m,后排樁樁長為30m。

h形抗滑樁所采用的鋼筋等級為HRB400,采用的混凝土強度等級為C30,成孔方式為機械成孔。連梁剛度計算公式為EI=Ebh3/12,在實際工程中,彈性模量E保持不變,且為便于施工連梁截面寬度b也保持不變,通過改變連梁截面高度h實現連梁剛度的改變。

本文設連梁截面尺寸b×h=2m×4m時,連梁剛度為EI,此時連梁截面尺寸與樁身截面尺寸相同。通過改變連梁截面高度,設置5種連梁剛度,分別為0.5EI、EI、1.5EI、2EI、2.5EI。

3 有限元模型

該邊坡有限元模型采用巖土領域軟件MIDAS GTS進行建立,模型左高35m、右高85m、長150m,邊坡有限元模型見圖1。邊坡巖土體屬性類型均為2D,子類型為平面應變;h形抗滑樁屬性類型為1D,子類型為梁單元。h形抗滑樁前后排樁與連梁之間的連接均為剛接,既能傳遞剪力,也能傳遞彎矩。在進行網格劃分時,對不同巖土體類型采用不同的網格基本尺寸。其中,風化土與風化巖的基本尺寸為2m;軟巖基本尺寸為4m。為了保證模型不同材料之間受力的連續性與均勻性,在不同材料接觸處,共用有限元節點。在模型左右邊界以及下邊界施加約束,隨后施加重力荷載,并分別設置h形抗滑樁連梁剛度為0.5EI、EI、1.5EI、2EI、2.5EI的邊坡穩定分析工況。

圖1 邊坡有限元模型

4 數值模擬分析

在其他因素相同的條件下,分別對不同連梁剛度的h形抗滑樁支護邊坡模型進行求解,得出h形抗滑樁樁身位移、樁身內力以及邊坡治理效果,并依次對其進行分析[1-2]。

4.1 天然工況下邊坡穩定性分析

天然工況下邊坡位移云圖見圖2。由圖2可知,在天然工況下,邊坡位移主要集中于坡面的風化土區域;天然工況下,邊坡最大位移出現在靠近坡腳的位置,最大邊坡位移30mm,不滿足工程安全要求;天然工況下,5.9%的巖土體區域總位移大于20mm,邊坡位移從坡面上部至坡面下部整體呈逐漸遞增的趨勢。

圖2 天然工況下邊坡位移云圖

天然工況下邊坡等效塑性應變云圖見圖3。由圖3可知,天然工況下,邊坡等效塑性應變區域主要集中于風化土與風化巖的交界面處,且具有一定的寬度;在越靠近風化土與風化巖的交界面處,邊坡等效塑性應變越明顯;邊坡等效塑性應變是邊坡在極限狀態下的潛在滑動面,天然狀態下邊坡潛在滑動面貫通,結合天然狀態下邊坡的位移情況,需要采取一定的支護措施對該邊坡進行支護[3]。

圖3 天然工況下邊坡等效塑性應變云圖

4.2 連梁剛度對樁身位移的影響分析

不同連梁剛度下,h形抗滑樁樁身位移見表2。由表2可知,隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁前后排樁樁頂位移整體上均呈逐漸減小的趨勢,但減小的速率在逐漸下降;h形抗滑樁后排樁樁頂位移減小的幅度較前排樁更明顯,且前后排樁樁頂位移的差值不斷減小,最后趨近于定值;當連梁剛度在0.5EI～1.5EI時,h形抗滑樁前后排樁樁頂位移隨著連梁剛度的增大而迅速減小,最大減小幅度6.6%;當連梁剛度在1.5EI～2.5EI時,h形抗滑樁前后排樁樁頂位移隨著連梁剛度的增大而減小,但減小的速率較慢。

表2 不同連梁剛度下h形抗滑樁樁身位移

4.3 連梁剛度對樁身內力的影響分析

不同連梁剛度下,h形抗滑樁前排樁樁身最大內力見表3。由表3可知,隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁前排樁樁身最大剪力與樁身最大彎矩均逐漸減小,但減小幅度并不明顯,前排樁樁身最大剪力與樁身最大彎矩變化不大;當連梁剛度小于1.5EI時,連梁剛度變化對h形抗滑樁前排樁樁身最大內力的影響較連梁剛度大于1.5EI時更大。

表3 不同連梁剛度下h形抗滑樁前排樁樁身最大內力

不同連梁剛度下,h形抗滑樁后排樁樁身最大內力見表4。由表4可知,隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁后排樁樁身最大剪力呈逐漸減小的趨勢,但減小的速率在逐漸下降;當連梁剛度在0.5EI～1.5EI時,h形抗滑樁后排樁剪力隨著連梁剛度的增加而較為迅速地減小,最大減小幅度17.6%;當連梁剛度在1.5EI～2.5EI時,h形抗滑樁后排樁樁身最大剪力隨著連梁剛度的增大而減小,但減小的速率較慢。隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁后排樁樁身最大彎矩呈先減小、后增大的趨勢,當連梁剛度為1.5EI時,h形抗滑樁后排樁樁身最大彎矩最小。

結合表3、表4可知,在不同連梁剛度下,h形抗滑樁前排樁的樁身最大剪力始終小于后排樁的樁身最大剪力,而h形抗滑樁前排樁的樁身最大彎矩始終大于后排樁的樁身最大彎矩;連梁剛度對后排樁最大剪力的影響較大,隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁后排樁樁身最大剪力的變化相較于前排樁樁身最大剪力的變化更大;連梁剛度對前后排樁樁身最大彎矩的影響效果不同,隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁前后排樁樁身最大彎矩的變化趨勢不同[4]。

表4 不同連梁剛度下h形抗滑樁后排樁樁身最大內力

4.4 連梁剛度對邊坡治理效果的影響分析

不同連梁剛度h形抗滑樁支護下,邊坡穩定安全系數與最大位移見表5。由表5可知,隨著連梁剛度的增加,邊坡穩定安全系數逐漸增大,邊坡最大位移整體上逐漸減小;隨著連梁剛度的增加,邊坡穩定安全系數增大的速率與邊坡最大位移減小的速率均逐漸減小;當連梁剛度在0.5EI～1.5EI時,邊坡穩定安全系數隨著連梁剛度的增大而迅速提升,最大提升幅度5.5%,邊坡最大位移隨著連梁剛度的增大而迅速降低,最大降低幅度27.3%;當連梁剛度在1.5EI～2.5EI時,邊坡穩定安全系數隨著連梁剛度的增大而緩慢提升,邊坡最大位移隨著連梁剛度的增大而緩慢降低,最后基本不變。當連梁剛度為1.5EI時,邊坡穩定安全系數為1.38,滿足規范安全要求,邊坡最大位移相較于天然工況下降低73.3%。

表5 不同連梁剛度h形抗滑樁支護下邊坡穩定安全系數與最大位移

5 結 論

本文結合實例邊坡工程,利用數值模擬技術,對h形抗滑樁連梁剛度的影響進行了研究。結論如下:

1)連梁剛度對h形抗滑樁樁頂位移有影響,但不同剛度范圍影響的程度不同。當連梁剛度在0.5EI～1.5EI時,隨著連梁剛度增加,h形抗滑樁樁頂位移下降相對較為迅速;在此剛度范圍內,連梁剛度變化影響較大。

2)隨著連梁剛度的增加,h形抗滑樁前排樁樁身最大剪力均隨之減小,但減小的速率不同。連梁剛度對前后排樁樁身最大彎矩的影響效果不同。

3)邊坡治理效果隨著連梁剛度的增加而提升,但不同連梁剛度范圍內提升的顯著程度不同。當連梁剛度在0.5EI～1.5EI時,邊坡治理效果提升效果較為顯著;當連梁剛度在1.5EI～2.5EI時,邊坡治理提升效果并不顯著。當連梁剛度為1.5EI時,邊坡穩定安全系數為1.38,邊坡最大位移為8mm,均滿足安全要求。

4)綜合考慮h形抗滑樁樁頂最大位移、樁身最大內力以及邊坡治理效果,該實例工程最優的連梁剛度為1.5EI。