基于有限元法對抗滑樁在渠堤穩(wěn)定中的影響因素分析

張飛 湯璐

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司 上海 200439）

基于有限元法對抗滑樁在渠堤穩(wěn)定中的影響因素分析

張飛 湯璐

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司 上海 200439）

本文結(jié)合國內(nèi)某大型渠堤工程，在簡單介紹該渠堤抗滑加固措施后，著重分析了水泥攪拌樁作邊坡加固措施的影響因素，并利用基于強(qiáng)度折減法的有限元軟件進(jìn)行定量分析計(jì)算，得到在不同抗滑樁的樁長、樁徑和樁距與土質(zhì)渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系，文章在對大量試算方案綜合比較的基礎(chǔ)上，確定了該渠坡水泥攪拌樁的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。該方法可為大中型渠坡堤防抗滑樁的設(shè)計(jì)提供參考。

渠坡防護(hù) 抗滑樁 影響因素 有限元法 安全系數(shù)

1 引言

邊坡穩(wěn)定對工程的重要性不言而喻，邊坡失事方式多為邊坡失穩(wěn)或堤防滲流滑移失穩(wěn)引起滑坡，威脅水利工程及周邊群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。其危害大小與當(dāng)?shù)氐匦螚l件，居民點(diǎn)位置，水流排泄條件等關(guān)系密切。對邊坡的穩(wěn)定安全國內(nèi)外學(xué)者已做了很廣泛的研究。對于邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者也已提出了很多計(jì)算方法，例如：極限平衡法、塑性極限分析和滑移線場法等。

2 工程概況

該工程為高填方渠堤工程，由于渠堤高程較大，達(dá)到6～8m，局部達(dá)到10m左右，設(shè)計(jì)采用非膨脹土填筑堤身。填方渠堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)按一級土壩建筑物要求取1.5。

3 工程邊坡防護(hù)措施研究

為滿足渠堤的高填方要求，采用了一系列提高填方渠堤邊坡穩(wěn)定的加固措施，主要包括：在高填方渠堤外側(cè)設(shè)置抗滑樁，戧臺、提高外坡邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)；放緩渠堤內(nèi)外邊坡提高渠坡安全度。

4 抗滑樁影響因素研究

工程中抗滑樁位移和內(nèi)力計(jì)算通常采用懸臂樁法。即滑動(dòng)面以上樁體視為懸臂構(gòu)件，滑動(dòng)面以上作用于樁身的滑坡推力分布形式近似為矩形或三角形分布，假定滑坡推力方向與滑動(dòng)面平行?；瑒?dòng)面以下樁體的錨固段，內(nèi)力根據(jù)滑動(dòng)面處的彎矩和剪力按地基彈性抗力系數(shù)K計(jì)算。按彈性地基梁計(jì)算樁身內(nèi)力和變位時(shí)根據(jù)對地基系數(shù)的假定的不同分為“K”法、“m”法、“c”法。當(dāng)滑床為較完整的巖質(zhì)和硬粘土層時(shí)，通常采用“K”法，即地基系數(shù)為常數(shù)K；當(dāng)滑床為硬塑一半堅(jiān)硬的砂粘土、碎石土或風(fēng)化破碎成土狀的軟質(zhì)粘層時(shí)，采用“m”法，即地基系數(shù)隨深度呈線性增加。

4.1 結(jié)構(gòu)形式

本工程抗滑樁使用水泥攪拌樁,水泥攪拌樁以其施工時(shí)無噪音、無泥漿廢水污染、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于基坑支護(hù)，堤防、天然邊坡的抗滑穩(wěn)定加固中。水泥攪拌樁在工程應(yīng)用中，多采用連續(xù)結(jié)構(gòu)形式，即可作為擋土墻起到擋土抗滑作用，又可作為防滲帷幕起到截滲作用。

結(jié)合本工程，水泥攪拌樁用于加固渠堤外邊坡，為保證渠堤外坡增設(shè)水泥攪拌樁后，渠道在正常運(yùn)行時(shí)，渠堤浸潤線不升高，水泥攪拌樁采用非連續(xù)形式。水泥攪拌樁水泥摻入比為18%，樁徑0.6m，垂直水流方向連續(xù)攪拌，順?biāo)鞣较蜷g隔布置。

4.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本工程填方渠堤外坡，要求在渠道正常運(yùn)行工況下安全系數(shù)采用簡化畢肖普方法計(jì)算不小于1.5。采用水泥攪拌樁加固后，在洪水綜合影響等級高和較高渠段，正常運(yùn)行工況下，渠堤外坡采用簡化畢肖普法計(jì)算的安全系數(shù)，應(yīng)分別不小于1.75和1.6。

4.3 影響因素研究

以下將以填方高度10m，坡比1∶2的典型斷面為例研究水泥攪拌樁作抗滑樁的支護(hù)效果和影響支護(hù)效果的因素。采用基于強(qiáng)度折減原理的有限元軟件進(jìn)行研究。有限元法具有不受邊坡幾何形狀和材料不均勻限制的優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確反映出邊坡土體的應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系，能夠考慮土體復(fù)雜的非線性關(guān)系，是目前邊坡穩(wěn)定性分析中較為理想的方法。

4.3.1 水泥攪拌樁的支護(hù)效果

采用簡化畢肖普法計(jì)算典型斷面正常運(yùn)行工況下渠堤外坡的安全系數(shù)F外=1.575，如圖1所示。

圖1 正常運(yùn)行工況下外渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.575

增設(shè)水泥攪拌樁后，采用簡化畢肖普法計(jì)算典型斷面正常運(yùn)行工況下渠堤外坡，水泥攪拌樁斷面處的安全系數(shù)F外=1.826，如圖4.3-2所示。水泥攪拌樁樁徑為0.6m，垂直水流方向布置的三根攪拌樁為一組，樁間距為3m，樁長11m；水泥攪拌樁的抗剪強(qiáng)度c=800kPa, φ=0°，滲透系數(shù)取值為2×10-7m/s。

圖2 增設(shè)攪拌樁正常運(yùn)行工況下外渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.826

通過計(jì)算來看，采用攪拌樁加固后渠堤外坡的安全系數(shù)由1.575增加到1.826，增大了16%。

4.3.2 影響抗滑樁支護(hù)效果的因素

（1）樁間距。樁間距是抗滑樁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，土層中的拱作用的產(chǎn)生與拱結(jié)構(gòu)物不一樣，拱結(jié)構(gòu)是把材料制成拱形狀，在荷載作用下發(fā)揮其承受壓力的作用;而土拱有其自身的形成過程∶在荷載或自重的作用下，土體發(fā)生壓縮和變形，從而產(chǎn)生不均勻沉降，致使土顆粒間產(chǎn)生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產(chǎn)生“拱效應(yīng)”。樁間距過大，樁間土拱不能形成，造成土體從樁間擠出，樁體抗滑作用失效；樁間距過小，會使工程投資增大，造成施工困難。

樁間距的確定影響因素較多，樁間間距可以建立了樁間土拱合理的計(jì)算模型。為保證相鄰樁間土拱正常發(fā)揮作用，通過建立以下控制條件∶在極限狀態(tài)下建立樁間土拱靜力學(xué)平衡方程;以莫爾一庫侖破壞準(zhǔn)則作為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)算拱頂截面前緣點(diǎn)，以保證樁間土拱不因剪切破壞而喪失穩(wěn)定性∶為保證拱腳處三角受壓區(qū)不破壞，應(yīng)滿足莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則。

本工程由于攪拌樁并非連續(xù)布置，對于兩組攪拌樁之間渠坡穩(wěn)定復(fù)核按照土拱效應(yīng)來復(fù)核，即認(rèn)為各組攪拌樁順?biāo)鞣较虻拈g距設(shè)置合適，則樁間土?xí)纬赏凉?。粘性土形成土拱時(shí)，各組攪拌樁允許的最大凈距l(xiāng)max按照下式計(jì)算：

式中，'B為樁寬度，本工程取值為0.6m；

c為土料的抗剪強(qiáng)度，本工程取值為40kPa;

φ—土料的摩擦角，本工程取值為22°；

q—拱后均布推力；

根據(jù)公式1計(jì)算最大凈距，并結(jié)合工程自身特點(diǎn)選取合適的水泥攪拌樁間距。

通過上述分析來看，增設(shè)水泥攪拌樁后渠堤外坡的安全系數(shù)將會得到提高。

（2）樁長。水泥攪拌樁在滿足斷面尺寸的要求下（滿足抗傾覆穩(wěn)定、抗剪強(qiáng)度滿足要求），隨著樁長的增加，渠坡最危險(xiǎn)滑弧將向地層深處發(fā)展，渠坡安全系數(shù)增加，如圖3～5所示，攪拌樁樁長L分別為10m、11m、12m時(shí)的安全系數(shù)分別為1.752、1.826、1.925。水泥攪拌樁樁長增加，則錨固段長度增加，也有利于攪拌樁的抗傾覆穩(wěn)定，根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算，錨固段長度滿足樁長的1/3-1/2時(shí)樁的抗傾覆穩(wěn)定即滿足要求。因此，攪拌樁的最終樁長根據(jù)渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)確定。

圖3 攪拌樁L=10m正常運(yùn)行工況下渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.752

圖4 攪拌樁L=11m正常運(yùn)行工況下渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.826

圖5 攪拌樁L=12m正常運(yùn)行工況下渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.925

（3）斷面尺寸。水泥攪拌樁在樁長不變的情況下，斷面尺寸越大，渠坡的安全系數(shù)越大，但是當(dāng)斷面尺寸滿足某一值后（抗剪強(qiáng)度滿足要求后），隨著水泥攪拌樁斷面尺寸的增加，渠坡的安全系數(shù)變化不大，如圖6～8所示，水泥攪拌樁斷面尺寸B分別為0.6m，1.2m，1.8m時(shí)渠坡的安全系數(shù)分別為1.806、1.816、1.826。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)水泥攪拌樁的斷面尺寸滿足抗剪強(qiáng)度后，斷面尺寸的增加對渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)影響不大。但是斷面尺寸增加，將有利于水泥攪拌樁的抗傾覆穩(wěn)定。

圖6 攪拌樁B=0.6m正常運(yùn)行工況下渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.806

圖8 攪拌樁B=1.8m正常運(yùn)行工況下渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)F外=1.826

（4）浸潤線。本工程是填方渠堤，浸潤線升高會引起渠堤的滲透穩(wěn)定破壞，而水泥攪拌樁滲透系數(shù)比渠堤填筑料的滲透系數(shù)要小，因此增設(shè)水泥攪拌樁，會增大滲壓力，對樁間土穩(wěn)定不利。不宜采用連續(xù)型式布置抗滑樁，故本工程水泥攪拌樁采用非連續(xù)形式。工程為降低浸潤線，

在兩組攪拌樁之間設(shè)置排水體。排水體寬度為0.6m，內(nèi)填中粗砂，外接漿砌石貼坡排水，中粗砂夯實(shí)后的相對密度不小于0.7。

5 結(jié)論

工程最后結(jié)合影響水泥攪拌樁支護(hù)效果因素的分析，并根據(jù)各渠段的坡高、坡比和地質(zhì)條件，初步確定各渠段水泥攪拌樁的長度、斷面尺寸、樁間距。洪水綜合影響等級高重點(diǎn)渠段，適當(dāng)加長水泥攪拌樁的樁長和減小樁間距，提高渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)。結(jié)果見表1。

表1 洪水綜合影響等級高渠堤水泥攪拌樁布置表

本文主要通過有限元軟件研究了抗滑樁在高渠坡的邊坡穩(wěn)定的影響因素研究，抗滑樁作為邊坡，堤防，渠堤等的支擋結(jié)構(gòu)，具有施工快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的邊坡加固中得到廣泛應(yīng)用。通過文章的研究表明增大水泥攪拌樁的樁長和斷面尺寸，減小樁間距將有利于水泥攪拌樁的加固效果，但將會增加工程投資。同時(shí)在使用水泥攪拌樁作為抗滑樁以后會引起渠坡堤防等的浸潤線的變化，應(yīng)分析確定對實(shí)際工程的影響合理確定抗滑樁的設(shè)計(jì)參數(shù)。文章的研究將為以后的工程提供參考。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.09.019

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1672-2469(2014)09-0060-04

張飛（1987年—），男，助理工程師。