基于數(shù)值模擬的h型抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

何志俊

（山西省交通開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

h型抗滑樁結(jié)構(gòu)整體具有抗彎剛度大、穩(wěn)定性好，前后排樁協(xié)調(diào)效率高、受力形式合理，能夠抵抗較大的滑坡推力，而且能起到收坡護(hù)腳的作用，在變形要求苛刻及地質(zhì)條件復(fù)雜的工程中應(yīng)用前景廣闊[1-3]。關(guān)于h型抗滑樁承載變形機(jī)制與計(jì)算分析方面的研究，已取得了豐碩成果[3-7]：王羽，歐明喜等分別建立了h型抗滑樁內(nèi)力計(jì)算模型[3，8]；歐孝奪等[4，8-10]通過(guò)試驗(yàn)、數(shù)值分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)探討了基樁排距、樁間距、系梁剛度與嵌固深度等因素對(duì)h型抗滑樁承載變形特性的影響規(guī)律。

本文以岢臨高速公路某大橋不良地質(zhì)災(zāi)害為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用數(shù)值模擬方法分析h型抗滑樁受力狀態(tài)，并根據(jù)錨固深度和懸臂段長(zhǎng)度變化影響下h型抗滑樁的工作狀態(tài)，探索h型抗滑樁結(jié)構(gòu)受力規(guī)律并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工程概況及處治方案

1.1 工程概況

岢臨高速公路某大橋處于黃土河谷岸坡地貌區(qū)，采用分幅設(shè)計(jì)，主線(xiàn)全長(zhǎng)360 m，上部結(jié)構(gòu)為9×40 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)為矩形墩身，基礎(chǔ)采用直徑1.2 m的灌注樁。由于受持續(xù)特大暴雨影響，大橋一側(cè)橋臺(tái)錐形護(hù)坡垮塌，橋臺(tái)樁基礎(chǔ)外露形成臨空面，外露樁基長(zhǎng)度達(dá)15 m（如圖1所示），樁基外露導(dǎo)致其側(cè)向受力不均衡，進(jìn)而引發(fā)樁基傾斜承載力下降，甚至樁基倒塌。橋臺(tái)處于黃土陡坡上，下端發(fā)育有“U”型沖溝，溝內(nèi)有季節(jié)性流水，垮塌后剩余坡體坡腳受溝谷河流進(jìn)一步?jīng)_蝕作用，使得整個(gè)坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。目前橋梁出現(xiàn)多處裂縫，大橋的運(yùn)營(yíng)安全受到嚴(yán)重威脅。

圖1 樁基防護(hù)現(xiàn)場(chǎng)施工圖

1.2 處治方案

橋址區(qū)為典型的黃土高原地貌，地層從上到下主要由第四系粉土及三疊系泥質(zhì)砂巖組成。粉土中夾雜少量黏性土及鈣質(zhì)結(jié)核。泥質(zhì)砂巖為強(qiáng)風(fēng)化類(lèi)型，厚層狀構(gòu)造。斜坡相對(duì)高差較大，高達(dá)50 m，屬于典型的高邊坡處治工程。

該不良地質(zhì)工程治理措施關(guān)鍵在于穩(wěn)定橋臺(tái)隱患坡體和修復(fù)外露樁基兩方面。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及工程地質(zhì)情況，支擋結(jié)構(gòu)須滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)：第一，“收坡”與“固腳”，這樣不僅能夠提供足夠的作業(yè)空間減少施工難度而且對(duì)于工程安全也至關(guān)重要；第二，能夠擋土并承受較大的滑坡推力。

首先采用人工挖孔方式進(jìn)行h型抗滑樁嵌巖錨固段施工；然后在h型抗滑樁與外露樁基之間采用灰土分層填筑并碾壓密實(shí)，恢復(fù)外露樁基側(cè)的保護(hù)土層，使樁基受力重新達(dá)到平衡狀態(tài)；最后，樁頂至橋臺(tái)邊緣之間采用1∶1.5放坡的形式恢復(fù)橋臺(tái)錐形護(hù)坡結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為模擬研究區(qū)h型抗滑樁的受力特性，建立研究區(qū)h型抗滑樁概化模型，如圖2所示，運(yùn)用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，研究h型抗滑樁在邊坡治理工程中的受力特征。模擬計(jì)算時(shí)，選用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，坡體遵循Drucker-Prager準(zhǔn)則，滑面服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；樁-土和樁-滑床的摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.19和0.5。

h型抗滑樁為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。h型抗滑樁幾何參數(shù)：后排樁長(zhǎng)42 m（阻滑段27 m，懸臂段13 m，錨固段15 m），前排樁樁長(zhǎng)27 m（阻滑段12 m，錨固段15 m），兩榀樁樁距5.5 m，前后排樁排距10.5 m；樁的截面尺寸a×b=2.5 m×3 m，橫梁截面為2.5 m×2.5 m。

圖2 研究區(qū)概化模型（單位：m）

表1 模型巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 h型抗滑樁受力分析

圖3為h型抗滑樁剪應(yīng)力分布特征，圖中顯示，前、后排樁樁身與系梁交接處、連系梁及錨固段頂部附近均出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，以上部位在設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)考慮強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)中最大剪應(yīng)力約為1.5 MPa。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在h型抗滑樁相同高度上的前后排樁樁身應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，表明該種結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用效率很高。根據(jù)張永杰等[11]的研究結(jié)果，h型抗滑樁承載變形特性對(duì)懸臂長(zhǎng)度更為敏感。而錨固深度對(duì)工程的成本影響最大。因此，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，對(duì)懸臂長(zhǎng)度與錨固深度兩個(gè)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以使h型抗滑樁結(jié)構(gòu)承載變形及施工成本等方面達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

圖3 h型樁剪應(yīng)力云圖

3 h型抗滑樁結(jié)構(gòu)承載能力優(yōu)化分析

3.1 懸臂段長(zhǎng)度

在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)不斷改變模型中懸臂段長(zhǎng)度，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得多組h型抗滑樁結(jié)構(gòu)位移和彎矩值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，懸臂段長(zhǎng)度的變化對(duì)h型抗滑樁前后排樁樁頂水平位移和最大彎矩都有顯著影響。圖4為不同懸臂長(zhǎng)度時(shí)樁頂位移變化，圖中顯示，隨著懸臂長(zhǎng)度的增加，后排樁樁頂位移呈現(xiàn)急劇上升趨勢(shì)，而前排樁樁頂位移則逐漸減小。當(dāng)懸臂長(zhǎng)度過(guò)16 m時(shí)，后排樁樁頂位移有急劇增大的趨勢(shì)，說(shuō)明超過(guò)此臨界值后后排樁樁頂位移可能難以有效控制。因此，懸臂段長(zhǎng)度應(yīng)控制在16 m以?xún)?nèi)，當(dāng)懸臂長(zhǎng)度為15 m時(shí)，樁頂位移為50.2 mm，符合規(guī)范要求。

表2 不同懸臂長(zhǎng)度時(shí)前、后排樁頂位移及彎矩統(tǒng)計(jì)

圖4 不同懸臂長(zhǎng)度時(shí)樁頂位移

在本次模擬范圍內(nèi)，根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，隨懸臂段長(zhǎng)度的增大，后排樁最大彎矩（負(fù)彎矩）出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，前排樁最大彎矩（負(fù)彎矩）表現(xiàn)為緩慢的上升?？紤]前、后排樁的協(xié)調(diào)性，僅繪制后排樁在不同懸臂段長(zhǎng)度下的彎矩變化，如圖5～圖7所示。圖中顯示，后排樁的負(fù)彎矩出現(xiàn)在懸臂段根部（即與系梁交接部）及樁身錨固段頂部（即樁身與滑面接觸處），懸臂段根部的彎矩值小于錨固段頂部的彎矩值，但隨著懸臂長(zhǎng)度的增大，二者的差距逐漸變小，圖7中可以看出，當(dāng)懸臂長(zhǎng)度為18 m時(shí)，懸臂段根部的彎矩值超過(guò)了錨固段頂部值，說(shuō)明懸臂長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，懸臂端會(huì)因承受較大滑坡推力而發(fā)生彎曲破壞。懸臂段長(zhǎng)度為15 m左右時(shí)彎矩分布更為合理。綜上所述，懸臂長(zhǎng)度設(shè)定15 m左右為合理的尺寸，此狀態(tài)下h型抗滑樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，懸臂段既可以承擔(dān)樁后土體的作用力，又能保證錐形護(hù)坡的坡比。

圖5 懸臂長(zhǎng)度為12 m時(shí)后排樁彎矩

圖6 懸臂長(zhǎng)度為15 m時(shí)后排樁彎矩

圖7 懸臂長(zhǎng)度為18 m時(shí)后排樁彎矩

3.2 錨固深度

通過(guò)不斷改變模型樁的錨固深度，其他參數(shù)不變（懸臂長(zhǎng)度15 m），進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到多組結(jié)構(gòu)位移和彎矩值數(shù)據(jù)，繪制不同錨固深度下后排樁樁身最大彎矩圖，如圖8所示，圖中顯示錨固長(zhǎng)度從6 m到21 m，樁體的最大彎矩變化幅度較小，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)改變錨固深度對(duì)調(diào)整樁身彎矩貢獻(xiàn)不大。

圖8 不同錨固深度時(shí)樁身最大彎矩

圖9 不同錨固深度時(shí)樁頂位移

由于樁的變形位移數(shù)據(jù)可測(cè)，因此后排樁的水平位移常作為衡量h型抗滑樁加固效果的標(biāo)準(zhǔn)之一。繪制不同錨固深度與后排樁最大水平位移之間的關(guān)系圖，如圖9所示，圖中顯示隨錨固深度的增大，樁頂水平位移呈現(xiàn)先劇烈減小后基本穩(wěn)定。當(dāng)樁頂位移維持在某一值附近時(shí)，表明增大錨固深度對(duì)改善h型抗滑樁的承載性能作用不大。圖中顯示錨固深度12 m是一個(gè)臨界值，錨固深度小于12 m時(shí)，可認(rèn)為該狀態(tài)下滑體以下穩(wěn)定地層的抗滑作用得不到充分發(fā)揮，抗滑樁有可能發(fā)生傾覆破壞；錨固深度大于12 m時(shí)樁頂水平位移維持在60 mm左右，因此樁體錨固深度不應(yīng)小于12 m，但也不能過(guò)大，當(dāng)錨固深度為13 m時(shí)，樁頂水平位移為50.7 mm，因此研究區(qū)h型樁取錨固深度為13 m較為合適。

3.3 變形監(jiān)測(cè)

2017年9月21日成樁，養(yǎng)護(hù)14 d后，在h型抗滑樁后排樁樁頂布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用測(cè)斜儀定期采集樁頂水平位移，同時(shí)樁后開(kāi)始填土施工，對(duì)施工全過(guò)程及施工完畢后一段時(shí)間進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。2017年10月20日填土完成，橋臺(tái)錐形護(hù)坡修整完成，此時(shí)樁頂最大累計(jì)位移量達(dá)31 mm，符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。通過(guò)為期兩年的變形監(jiān)測(cè)，后排樁樁頂位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，樁頂最大累計(jì)位移為51.6 mm，表明h型抗滑樁在本工程中的治理效果顯著。

表3 后排樁樁頂位移監(jiān)測(cè)結(jié)果 mm

4 結(jié)論

a）結(jié)合典型工程實(shí)例，數(shù)值模擬h型抗滑樁受力狀態(tài)，結(jié)果顯示，在h型抗滑樁前后排樁樁身相同高度處應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，表明該種結(jié)構(gòu)的協(xié)同性好。

b）在其他參數(shù)不變的情況下，分別數(shù)值模擬分析懸臂段長(zhǎng)度和錨固深度與h型抗滑樁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系，最終確定該工程懸臂段長(zhǎng)度及錨固深度的合理的尺寸分別為15 m和13 m。

c）對(duì)h型抗滑樁樁頂變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，累計(jì)最大水平位移與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，且滿(mǎn)足規(guī)范要求。目前樁頂位移量不再增加，處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明治理效果良好。