基于Midas/GTS的抗滑樁支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

羊金賢

(海南路橋工程有限公司 三亞市 572000)

0 引言

抗滑樁作為邊坡處理的有效手段，特別是限制滑坡土體的位移，發(fā)揮了良好的效果。郭曜欣[1]對(duì)抗滑樁埋設(shè)位置進(jìn)行了探討，主要采用有限元分析軟件，模擬了抗滑樁不同的埋設(shè)部位，得出抗滑樁埋設(shè)于中部最有利于邊坡的穩(wěn)定。但對(duì)于抗滑樁埋設(shè)部位還存在一定的爭(zhēng)議，戴自航等[2]通過(guò)對(duì)工程實(shí)例的分析，認(rèn)為抗滑樁的位置應(yīng)在邊坡下部。任志丹等[3]對(duì)邊坡支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了研究?？够瑯兜腻^固深度和截面尺寸的擬定對(duì)邊坡的整個(gè)安全穩(wěn)定、工程施工進(jìn)度、工程費(fèi)用都有著重要的作用。目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位對(duì)抗滑樁的設(shè)計(jì)主要是以單樁計(jì)算為主，在單樁設(shè)計(jì)中各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足工程要求后，再進(jìn)行排樁或組合計(jì)算，最終得到設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)過(guò)多地考慮單樁本身的承載特性，在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于抗滑樁的排列形式的組合研究不夠深入，相當(dāng)于多出了一部分安全儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)偏于保守且無(wú)法真實(shí)反映抗滑樁的實(shí)際受力狀態(tài)。以Midas/GTS為平臺(tái)，對(duì)抗滑樁的錨固深度和截面尺寸進(jìn)行模擬分析，以求得到最合理的抗滑樁參數(shù)。

1 工程概況

工程項(xiàng)目位于海拔2300m的某高速公路K12+610～K12+750段，該路段整體地勢(shì)西高東低，路段位于山谷之間，高差大于300m，坡體趨于垂直陡峭，形成多處滑坡危險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)工程的進(jìn)度造成了很大的影響。根據(jù)地勘報(bào)告，工段地層主要有三層：

(1)上第三系中新統(tǒng)泥巖：深紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，厚層狀，主要成分為黏土和蒙脫石。

(2)第四系上更新統(tǒng)卵礫石層：灰色卵礫石，橢圓狀。填充物為細(xì)、粉土等，夾雜著角礫、漂石等，抗壓強(qiáng)度高，層厚2～18m。

(3)第四系全新統(tǒng)堆積層：褐色粉土、黏土，塑性良好，上部夾雜植物根系，下部為碎、卵石，層厚3～22m。

本次數(shù)值模擬計(jì)算選取路段的最不利截面K12+580斷面，如圖 1所示。邊坡的天然地面線(xiàn)較陡，上層土體為厚度13m的雜填土，中間層為厚度14m的風(fēng)化土，下部土體為厚度18m的泥巖。邊坡在自然狀態(tài)下，頂部卵礫石經(jīng)過(guò)風(fēng)化剝蝕形成崩塌、落石，局部已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)的表征，必須采用工程措施進(jìn)行治理。根據(jù)工程的具體情況，為保證邊坡的穩(wěn)定性，初步擬定的方案為，邊坡上部進(jìn)行削坡減載，下部進(jìn)行填筑，邊坡坡率為1∶1.25，每級(jí)邊坡的坡高均為8m，并在坡級(jí)之間設(shè)2m寬的馬道，在邊坡中下部設(shè)置抗滑樁進(jìn)行支護(hù)。

圖1 邊坡斷面圖(單位：m)

2 Midas/GTS數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

Midas有限元數(shù)值分析在土木工程領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，如迪拜塔、北京奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館、韓國(guó)世界杯場(chǎng)館等。對(duì)于邊坡方面的綜合分析，主要采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法。強(qiáng)度折減法的本質(zhì)與極限平衡相同，在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行多次折減、迭代，減小土體的抗剪強(qiáng)度，直至最后土體失穩(wěn)，此時(shí)的折減系數(shù)就是邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)。本次的模型計(jì)算分析，選用強(qiáng)度折減法(SRM)進(jìn)行計(jì)算分析。

本次邊坡的模擬分析共有3個(gè)土層，如圖 1所示，分別為雜填土、風(fēng)化土、泥巖。表層土體和風(fēng)化土為滑動(dòng)土體，與邊坡穩(wěn)定性的相關(guān)性較大，因此在建立模型的時(shí)候應(yīng)該對(duì)其網(wǎng)格的劃分有所區(qū)別，擬定對(duì)雜填土、風(fēng)化土、泥巖的網(wǎng)格密度劃分分別為1m、2m和3m。建模后，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行運(yùn)算，找出邊坡潛在滑動(dòng)面的大致位置，以便抗滑樁的設(shè)計(jì)，如圖 2所示。從圖中可以看出，削坡后邊坡的潛在滑動(dòng)面主要位于雜填土和風(fēng)化土的巖層分界面上，此時(shí)的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.12，未達(dá)到規(guī)范要求的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)1.3，需對(duì)邊坡采取加固措施。項(xiàng)目擬對(duì)邊坡采用抗滑樁進(jìn)行治理，提高邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)削坡后其潛在滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果，擬定在邊坡的中下部實(shí)施抗滑樁。

圖2 邊坡有效塑性區(qū)云圖

本次數(shù)值模擬計(jì)算擬對(duì)抗滑樁的錨固段長(zhǎng)度和截面尺寸進(jìn)行模擬分析，根據(jù)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，抗滑樁的錨固深度取值為8～14m，每種工況間隔2m；截面尺寸分為三種，編號(hào)①、②、③，分別為1.2m×1.5m、1.5m×2m、2m×2.5m，共計(jì)12種工況進(jìn)行計(jì)算。

在模型計(jì)算中，主要對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和抗滑樁的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。建模中土層的本構(gòu)模型均為摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型，抗滑樁則為彈性本構(gòu)模型，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本次模型計(jì)算中具體參數(shù)如表 1所示。

表1 模型計(jì)算材料參數(shù)表

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)分析

根據(jù)Midas/GTS的計(jì)算結(jié)果，其中12種工況下的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。

表2 邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)表

表2中的計(jì)算結(jié)果中的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)除個(gè)別工況外，均符合規(guī)范大于1.3的要求。從計(jì)算結(jié)果可知，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)受到抗滑樁錨固深度和截面尺寸的影響，將表中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理繪制成圖，如圖3所示。

圖3 邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

通過(guò)對(duì)表2和圖3的結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)果：

在截面尺寸和錨固深度的變化過(guò)程中，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)在相應(yīng)的變化，其中最小值為1.28，最大值為1.41。邊坡未施加抗滑樁時(shí)的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.12，邊坡的穩(wěn)定性從欠穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)了穩(wěn)定狀態(tài)。這說(shuō)明抗滑樁的實(shí)施是有效的，這也符合抗滑樁的支護(hù)機(jī)理，抗滑樁的主要作用機(jī)理體現(xiàn)在抗滑樁、滑動(dòng)土體、滑床之間的耦合共同作用，其關(guān)鍵是在抗滑樁的樁與樁之間形成有效的土拱，將滑動(dòng)土體通過(guò)抗滑樁與滑床相互作用，樁間的應(yīng)力能夠很好地傳遞至樁上，從而達(dá)到抗滑的目的。

橫向?qū)Ρ龋够瑯跺^固長(zhǎng)度的增加，會(huì)提升邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)值，提高邊坡的安全穩(wěn)定性，增長(zhǎng)幅度最大的區(qū)段是錨固長(zhǎng)度由8m增加到10m時(shí)。但從圖像曲線(xiàn)的線(xiàn)型得知，抗滑樁長(zhǎng)度的增長(zhǎng)與邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)增長(zhǎng)是非線(xiàn)性的，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的增長(zhǎng)率在逐漸降低，最后隨抗滑樁錨固長(zhǎng)度增加而趨于水平，這種結(jié)果說(shuō)明抗滑樁錨固長(zhǎng)度的增長(zhǎng)對(duì)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的影響有一定的局限性，存在一定的閾值。合理地增加抗滑樁的錨固長(zhǎng)度對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性是有利的，這也符合抗滑樁的作用機(jī)理。

縱向?qū)Ρ?，抗滑樁截面尺寸的變化是影響邊坡穩(wěn)定的因素。截面①的尺寸最小，截面③的尺寸最大。整體而言，在同一錨固長(zhǎng)度時(shí)，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)隨截面的增大而增大，增大的最大幅值區(qū)間在截面①至截面②時(shí)。而截面②變化到截面③時(shí)，邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)變化較小。這說(shuō)明抗滑樁截面的變化對(duì)邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)的影響有一定的局限性，不能完全依靠截面尺寸的增大來(lái)提高邊坡的穩(wěn)定性，存在一定的閾值。合理地增加抗滑樁的截面尺寸對(duì)提高邊坡的穩(wěn)定性是有利的。

2.2.2邊坡位移分析

邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)可以反應(yīng)邊坡的穩(wěn)定性，但長(zhǎng)期的邊坡穩(wěn)定，還需要結(jié)合邊坡的位移情況進(jìn)行綜合判定。

各個(gè)工況下的水平位移云圖都類(lèi)似，選取錨固深度為10m，截面②工況的水平位移云圖進(jìn)行分析說(shuō)明，如圖 4所示。從云圖的結(jié)果可以得出，施加抗滑樁支護(hù)后，邊坡的水平位移云圖與自然削坡后的云圖不同，施加抗滑樁后，邊坡的水平位移最大區(qū)域集中在抗滑樁頂部的臨近區(qū)域，水平位移最大值為8.65cm。這說(shuō)明，抗滑樁、滑動(dòng)土體、滑床三者之間相互作用，改變了原有土體的滑動(dòng)狀態(tài)，抗滑樁在受到滑動(dòng)土體的作用下，對(duì)滑動(dòng)土體進(jìn)行了抵抗，阻止了土體的滑動(dòng)，達(dá)到可抗滑的目的。

圖4 水平方向位移云圖

對(duì)于邊坡豎直方向的位移情況，經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)工況計(jì)算結(jié)果的分析，施加抗滑樁前后，豎向位移的分布情況發(fā)生了變化。施工前，豎向位移整個(gè)沿著坡面變化，最大的豎向位移位置出現(xiàn)在坡腳處的最后一級(jí)邊坡中部。施工后，邊坡的豎向位移進(jìn)行了重新分布，變化最大的區(qū)域集中在抗滑樁頂部邊緣，最大值為2.8cm。這樣的分布結(jié)果與水平方向的位移結(jié)果類(lèi)似，這也驗(yàn)證了抗滑樁在維持邊坡穩(wěn)定性的有效性。

2.2.3抗滑樁受力分析

在抗滑樁的設(shè)計(jì)中，除了要保證整體結(jié)構(gòu)的安全性(邊坡穩(wěn)定)，抗滑樁還應(yīng)滿(mǎn)足自身的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度要求。在受到外力作用時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移和變形都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，對(duì)抗滑樁的受力分析很有必要。

提取Midas/GTS對(duì)抗滑樁剪力和彎矩的計(jì)算結(jié)果，各個(gè)工況的圖示情況類(lèi)似，取其中代表性的工況進(jìn)行繪制。如圖 5、圖 6所示，圖例中8-2表示錨固長(zhǎng)度為8m，截面為②(1.5m×2m)的工況，其余圖例名稱(chēng)情況類(lèi)似。

從圖5可知，抗滑樁的整個(gè)剪力分布情況是沿著樁頂往下，剪力的大小在逐漸增大。在抗滑樁的下半部分，剪力出現(xiàn)反向的情況，這與滑動(dòng)土體的滑動(dòng)面有關(guān)，抗滑樁的頂部距潛在滑動(dòng)面的距離約為10m，而剪力反向變化截面在距離樁頂16m位置處，說(shuō)明此處應(yīng)為抗滑樁在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)位置。同時(shí)，隨著抗滑樁錨固長(zhǎng)度的增加和截面尺寸的增加，剪力值有減小的趨勢(shì)。

圖5 抗滑樁剪力圖

從圖6可以得知，抗滑樁的彎矩值隨錨固長(zhǎng)度和截面尺寸的增長(zhǎng)而減小?？够瑯兜膹澗刂笛刂鴺俄斨翗兜字饾u增大，彎矩值在距樁頂16m處出現(xiàn)峰值，與剪力圖相對(duì)應(yīng)。

圖6 抗滑樁彎矩圖

從抗滑樁的剪力和彎矩的分析結(jié)果中得知，抗滑樁的最薄弱截面位于距離樁頂16m處的截面，而非潛在滑動(dòng)面(距離樁頂約10m)，這與抗滑樁的受力機(jī)理有關(guān)，本次的抗滑樁為全埋式的抗滑樁，其受力情況如圖7所示，樁的受力一般為豎直方向，但邊坡中的抗滑樁與橋梁中的樁基礎(chǔ)受力不同，主要受到來(lái)自水平方向的滑動(dòng)推力作用，在樁與土體的共同作用后，抗滑樁最薄弱面受樁位移的影響，所以抗滑樁的最薄弱截面往往在潛在滑動(dòng)面下方，因此在抗滑樁的設(shè)計(jì)中要充分考慮潛在滑動(dòng)面部分的設(shè)計(jì)方案。

圖7 抗滑樁受力機(jī)理簡(jiǎn)圖

綜上所述，在分析了邊坡穩(wěn)定性和抗滑樁的受力情況，從工程實(shí)際出發(fā)，主要考慮經(jīng)濟(jì)性因素，在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，盡量減小抗滑樁的截面尺寸和樁長(zhǎng)，得出錨固深度為10m，截面尺寸為1.5m×2m的方案為推薦方案，此時(shí)的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.37。

3 結(jié)語(yǔ)

基于Midas/GTS對(duì)抗滑樁支護(hù)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。主要通過(guò)分析抗滑樁的錨固長(zhǎng)度和截面尺寸對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得到了相應(yīng)的規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)抗滑樁的實(shí)施有利于提高邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)抗滑樁的錨固長(zhǎng)度和截面尺寸是影響邊坡穩(wěn)定性的因素。

(2)隨著抗滑樁錨固長(zhǎng)度的增加，邊坡穩(wěn)定性也相應(yīng)增加，但錨固長(zhǎng)度的增加對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)有一定的局限性。

(3)隨著抗滑樁截面尺寸的增大，邊坡穩(wěn)定性也相應(yīng)增加，但截面尺寸對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)有一定的局限性。

(4)抗滑樁錨固長(zhǎng)度和截面尺寸的增加有利于減小抗滑樁所受的剪力和彎矩值，抗滑樁的最薄弱截面位于潛在滑動(dòng)面之下。

考慮工程經(jīng)濟(jì)性，綜合分析所得，本項(xiàng)目的最合理抗滑樁設(shè)計(jì)方案為錨固深度為10m，截面尺寸為1.5m×2m的方案，為工程實(shí)際提供理論參考。