不同樁排間凈距的h形抗滑樁的數值模擬研究

張 虹

(深圳特別合作區(qū)土地整備局,廣東 深圳 518000)

1 概 述

抗滑樁具有樁位設置靈活、對滑體擾動小等優(yōu)勢,在邊坡治理中得到廣泛應用。但隨著實際大推力滑坡工程的出現,普通抗滑樁已無法滿足實際工程抗滑能力的需求。而h形抗滑樁由于其獨特的結構形式,常常被用于治理大推力滑坡。

目前,許多學者對h形抗滑樁進行了相關研究。羅勇等[1]分別采用傳統(tǒng)的深部位移測試手段和先進的BOTDA光纖傳感測試技術,對h形抗滑樁在整個治理滑坡過程中的變形與內力響應進行測試,結果表明,在治理特大型滑坡過程中,h形抗滑樁具有顯著的效果。李兵等[2]通過數值模擬技術,對圓截面h形抗滑樁組合結構受力和變形進行了分析,結果表明,圓截面h形抗滑樁前后排樁與連梁形成空間結構,使其變形減小,并能夠承受更大的滑坡推力。趙玉博等[3]運用FLCA3D軟件,分別對單樁與h形抗滑樁支護后的邊坡進行了分析,結果表明,h形抗滑樁支護后位移量較單樁減少92.3%,支護效果更明顯。寧宇等[4]通過h形樁耦合數值模型,對不同高程的支護效果進行了研究,結果表明,支護高程對支護效果有明顯的影響,支護效果最佳位置在邊坡中部。王晨濤等[5]通過平面剛架模型與彈性地基梁理論,對h形抗滑樁的內力進行了分析,結果表明,采用該分析方法的h形抗滑樁內力理論計算值與現場樁體監(jiān)測值基本吻合。

以上研究均未涉及對h形抗滑樁最優(yōu)前后排樁排間凈距的研究,一定限度上影響了h形抗滑樁在實際工程中的選用?；诖?本文針對某大推力滑坡工程,利用有限元軟件MIDAS GTS,建立數值模擬分析模型,分析在不同前后排樁排間凈距時,h形抗滑樁的支護效果與其內力,并確定最優(yōu)樁排間凈距,為類似工程中h形抗滑樁的設計提供參考。

2 工程概況

該邊坡由風化土、風化巖、基巖所構成,最危險截面見圖1;各巖土體物理力學參數見表1。經現場勘測及計算分析得知,該邊坡滑坡推力較大,普通單樁不足以抵抗滑坡推力,故采用h形抗滑樁進行支護。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 邊坡最危險截面

3 有限元模型

3.1 模型建立

本文采用有限元軟件MIDAS GTS進行數值模擬,邊坡巖土體采用Mohr-Coulomb本構模型,抗滑樁采用線彈性本構模型,邊坡尺寸182m×112m,邊坡有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型圖

抗滑樁采用C30混凝土,重度25kN/m3,體積模量1.146×107kPa,剪切模量1.28×107kPa,抗滑樁截面尺寸B×H=2m×3m,連梁頂面距后排樁樁頂面8m,前排樁長L1,連梁長L2=樁排間凈距d,后排樁長為L3=32m?？够瑯稑嬙靾D見圖3。

圖3 抗滑樁構造圖

3.2 數值模擬分組

為保證抗滑樁所受滑坡推力相同,h形抗滑樁后排樁的位置保持不變。通過改變前排樁樁長與連梁長度,實現前后排樁排間凈距的改變?？紤]到工程造價因素,在不同數值模擬分組中,使后排樁長度保持不變,前排樁長度與連梁長度之和等于后排樁長度(定值),以此保證各分組抗滑樁造價相同。由于布樁位置與抗滑樁嵌固長度的限制,本文討論的樁排間凈距的范圍為1H～5H,數值模擬各組參數見表2。

表2 數值模擬各組參數

4 數值模擬分析

在相同滑坡推力作用下,對不同樁排間凈距的h形抗滑樁支護的邊坡進行運算求解,得到各組的h形抗滑樁對坡體的支護效果與其內力,并進行對比分析。

4.1 邊坡支護效果分析

抗滑樁支護邊坡前后,邊坡的穩(wěn)定安全系數、最大剪應變與位移的變化是評價支護效果好壞的重要指標。未支護狀態(tài)與各分組抗滑樁支護的邊坡穩(wěn)定安全系數、最大剪應變以及最大X方向位移見表3。

表3 邊坡模擬相關系數

由表3可知,相對于未支護狀態(tài),經h形抗滑樁支護后,各分組的邊坡穩(wěn)定安全系數均有明顯提升,但不同分組支護的穩(wěn)定安全系數存在一定的差距。其中,當采用樁排間凈距2H的抗滑樁支護時,邊坡穩(wěn)定安全系數達到所有分組中最高的1.38,相較未支護狀態(tài)提高30.19%;樁排間凈距1H的抗滑樁支護時,邊坡穩(wěn)定安全系數僅達到1.25,但相較未支護狀態(tài)仍提高17.92%。對比不同分組的邊坡穩(wěn)定安全系數可以得到,當樁排間凈距1H～2H時,穩(wěn)定安全系數隨樁間凈距的增加而升高;當樁排間凈距為2H～5H時,穩(wěn)定安全系數隨樁排間凈距的增加而降低。

由表3可知,相較于未支護狀態(tài),經h形抗滑樁支護后,各分組邊坡最大剪應變與最大X方向位移均有明顯降低,但不同分組支護的邊坡最大剪應變與最大X方向位移的差距也是存在的。其中,當采用樁排間凈距3H的抗滑樁支護時,邊坡最大剪應變達到所有分組中最低的0.05,相較未支護狀態(tài)降低86.11%;樁排間凈距1H的抗滑樁支護時,邊坡最大剪應變在所有分組中最大,最大值為0.13,但相較未支護狀態(tài)仍降低63.89%。當采用樁排間凈距2H的抗滑樁支護時,邊坡最大X方向位移降低至最小,最小值為0.31,相較未支護狀態(tài)降低72.56%。對比不同分組的邊坡最大剪應變與最大X方向位移可以得到,當樁排間凈距1H～3H時,最大剪應變隨樁間凈距的增加而降低;當樁排間凈距為3H～5H時,最大剪應變隨樁排間凈距的增加而升高。當樁排間凈距1H～2H時,最大X方向位移隨樁間凈距的增加而降低;當樁排間凈距為2H～5H時,最大X方向位移隨樁排間凈距的增加而升高。

綜合上述分析,采用h形抗滑樁進行邊坡治理時,邊坡穩(wěn)定性得到明顯提升,但不同樁排間凈距的h形抗滑樁支護效果存在差異。綜合邊坡穩(wěn)定安全系數、最大剪應變以及最大X方向位移可大致認為,當h形抗滑樁樁排間凈距1H～2H時,邊坡支護效果隨樁排間凈距的增加而升高;當h形抗滑樁樁排間凈距為2H～5H時,邊坡支護效果隨樁排間凈距的增加而降低。

4.2 抗滑樁內力分析

不同分組的h形抗滑樁后排樁的彎矩與剪力見圖4、圖5。由圖4可知,在不同分組中,后排樁埋深為0～9.5m時,樁身彎矩基本完全一致;當樁埋深為9.5m時,所有分組的樁身彎矩均發(fā)生突變,但只有1H分組的彎矩方向未發(fā)生突變;后排樁樁身最大正彎矩與最大負彎矩均發(fā)生在5H分組中,最大正彎距為17.1MN·m,最大負彎矩為13.9 MN·m;在靠近潛在滑動面處深度,樁身彎矩都會達到一個極值,4H分組的極值最小,為6.9 MN·m;相對于其他分組,2H分組樁身整體彎矩隨樁身分布較均勻,最大彎矩7.6MN·m,僅為5H分組的44.44%。由圖5可知,在不同分組中,整體上樁身剪力分布形式大致相同,當后排樁埋深為0～9.5m時,樁身剪力分布基本一致;當樁埋深9.5m時,樁身剪力均發(fā)生突變,但只有2H分組剪力方向發(fā)生變化;樁身剪力最大值出現在5H分組,h形抗滑樁后排樁最大剪力數值為1.64MN;相對于其他分組,2H分組樁身整體剪力隨樁身分布較均勻,在0～25m埋深中,2H分組的樁身剪力均最接近樁身軸;在25～32m埋深中,僅有4H分組較2H分組略靠近樁身軸。

圖4 后排樁彎矩圖

圖5 后排樁剪力圖

不同分組的h形抗滑樁前排樁的彎矩與剪力見圖6、圖7。由圖6可知,5H分組的h形抗滑樁的前排樁彎矩整體較小;彎矩最大值發(fā)生在1H分組,最大彎矩為16.9 MN·m;樁頂最大彎矩為14.3 MN·m,發(fā)生在4H分組;前排樁彎矩整體分布趨勢較為統(tǒng)一。由圖7可知,在埋深0～7.5m范圍內,不同分組前排樁剪力分布基本相同;在7.5m至樁底范圍內,前排樁剪力分布差異較大;樁身最大剪力在5H分組,最大剪力為2.35MN,且只有5H分組的剪力最大值不在樁頂位置,其余分組的最大剪力值均在樁頂位置處;2H分組前排樁樁身剪力在整體上分布較為均勻。

圖6 前排樁彎矩圖

圖7 前排樁剪力圖

綜合上述,當樁排間凈距過小時,前排樁的彎矩與剪力會明顯提高,但后排樁彎矩與剪力仍保持較大;當樁排間凈距過大時,前排樁的的彎矩與剪力較小,后排樁的彎矩與剪力會很高,不能充分發(fā)揮前排樁的作用。結合前后排樁內力分布情況可以大致認為,在不同分組中,樁排間凈距為2H時,連梁協(xié)調前后排樁的內力效果最優(yōu)。

5 結 論

本文通過建立不同樁排間凈距的h形抗滑樁邊坡支護模型,對不同樁排間凈距的抗滑樁邊坡支護效果與樁身內力進行研究,結論如下:

1)相同抗滑樁造價時,在相同滑坡推力作用下,邊坡支護效果隨前后排樁凈距先變優(yōu)后變劣。在不同樁間凈距支護分組中,當前后排樁凈距為2H時,邊坡支護效果最佳,邊坡穩(wěn)定安全系數提高30.19%。

2)在相同滑坡推力作用時,相較于其他分組,樁排間凈距為2H時,樁身最大彎矩僅為5H分組的44.44%,h形抗滑樁的樁身彎矩與剪力分布較為均勻,能夠更好協(xié)調前后排樁的內力,充分發(fā)揮前后排樁的抗滑作用。