門架式抗滑樁與雙排抗滑樁的數(shù)值分析對比

邱志華

(1 福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建福州 350108；2 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350108)

0 引言

門架式抗滑樁（以下簡稱門架樁）整體剛度較大、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配較合理，且具有良好的護(hù)坡效果，因此在治理滑坡工程中極具開發(fā)潛力。但目前對于門架樁的研究還不夠深入，導(dǎo)致門架樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析理論較為薄弱。門架樁的抗滑機(jī)理研究不僅存在抗滑樁與滑坡體的相互作用問題，同時(shí)樁體本身各種因素的變化也將導(dǎo)致樁身受力和變形的改變，其受力與變形受諸多因素影響，因此對門架樁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究就顯得非常重要。許多學(xué)者對雙排抗滑樁的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，但對門架樁的報(bào)道相對較少。毛曉光等[1]采用有限元軟件ABAQUS 建立有、無樁頂連梁2 個(gè)模型，探討了雙排抗滑樁與樁頂連梁組成的空間結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理。楊明等[2]采用ABAQUS 有限元軟件建立平面非線性彈塑性有限元模型，研究連系梁的截面尺寸，厚度變化、材料性質(zhì)對雙排樁連系梁的作用機(jī)理。鄒盛堂等[3]采用ABAQUS 有限元軟件建立了雙排抗滑樁和門架樁治理順層滑坡的三維數(shù)值分析模型。申永江等[4]采用ANSYS 有限元軟件建立雙排抗滑樁有限元模型，分析研究樁頂連接方式對抗滑樁的側(cè)向位移分布和內(nèi)力分布的影響，分析了前后排4 種樁頂連接方式。李恒楊等[5]采用ABAQUS 建立圓形與矩形截面門架式抗滑樁的三維數(shù)值模型，探討了樁身材料以及樁頂連系梁的剛度對樁身位移和內(nèi)力的影響。于洋等[6]采用FLAC3D程序建立簡化的雙排抗滑樁數(shù)值計(jì)算模型，研究有、無連系梁雙排抗滑樁前排和后排抗滑樁錨固深度變化對變形、內(nèi)力和抗滑力的變化規(guī)律。

大多學(xué)者都將門架樁邊坡的治理按二維平面模型來考慮。為此，本文通過ABAQUS 有限元軟件建立三維數(shù)值模型，與獨(dú)立的雙排抗滑樁進(jìn)行對比分析，為抗滑樁在滑坡治理中的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 有限元模型

1.1 模型構(gòu)成

門架樁室內(nèi)大型模型試驗(yàn)于專用土工模型試驗(yàn)槽內(nèi)進(jìn)行，尺寸為長× 寬× 深=6m×3m×3m，如圖1 所示。

圖1 室內(nèi)模型全景圖

模型樁：連系梁截面尺寸為高×寬=10cm×10cm；雙排圓形鋼管樁直徑均為10cm，前后排樁長度分別為2m、2.2m；連系梁與圓形管樁壁厚均為2mm。滑坡土體：試驗(yàn)中錨固段滑床和受荷段滑體材料均采用中細(xì)砂填筑，并注水使填土達(dá)到飽和狀態(tài)?；瑒?dòng)面：以2cm 厚光滑木板模擬滑坡失穩(wěn)破壞時(shí)滑動(dòng)面?；鶐r：樁底澆筑混凝土。模型試驗(yàn)剖面如圖2 所示。

圖2 室內(nèi)模型剖面圖（單位：m）

1.2 本構(gòu)模型

三維數(shù)值模型由門架樁、滑動(dòng)面、土體以及基巖等四部分組成，均用實(shí)體單元模擬?；峦馏w采用Mohr-coulomb 理想彈塑性體，其余各部分均采用線彈性模型，如圖3 所示。接觸模型：接觸模擬采用Coulomb 摩擦模型。邊界條件：對模型的左右及前后施加相應(yīng)軸向位移約束；對底部施加固定約束；坡頂、坡面及坡腳為自由邊界。

圖3 三維有限元模型及網(wǎng)格劃分

1.3 材料參數(shù)

計(jì)算模型中抗滑樁和巖土體物理力學(xué)參數(shù)資料詳見表1。

表1 巖土體和樁的物理力學(xué)參數(shù)

2 模擬對比分析及結(jié)果

圖4 為兩種抗滑樁的前后排抗滑樁的樁身前后土壓力分布。對于受荷段即滑面以上部分，雙排抗滑樁的前排樁樁后土壓力接近于拋物線分布，而門架樁前排樁樁后接近于三角形分布，且兩種抗滑樁后排抗滑樁樁后土壓力相差不大；后排樁樁后的土壓力均接近于三角形分布，且門架樁中的后排抗滑樁樁后土壓力大于雙排抗滑樁中的后排抗滑樁樁后土壓力；兩種抗滑樁的前、后排抗滑樁的樁前土壓力分別均接近于倒三角形分布和直線分布，兩種抗滑樁的土壓力也較為接近，且土壓力值較小。對于滑面以下部分，后排樁抗滑樁的樁后土壓力分兩段，上半段土壓力為零，下半段土壓力均接近于梯形分布；前排樁抗滑樁樁后土壓力均接近于直線分布，且門架樁大于雙排抗滑樁；后排抗滑樁樁前土壓力接近于倒三角分布，前排抗滑樁樁前土壓力上半段接近于三角形分布，下半段土壓力為零，且土壓力較為接近。兩種抗滑樁后排樁的土壓力均要比前排樁大，且門架樁土壓力明顯比雙排抗滑樁土壓力大。

圖4 樁體前后土壓力

圖5 為兩種抗滑樁的前后排抗滑樁的樁身位移分布。獨(dú)立雙排抗滑樁前后排樁樁身水平位移變化規(guī)律基本相似，接近于倒三角形分布且后排樁整體位移要大于前排樁；前后排樁最大水平位移均發(fā)生于樁頂位置。門架樁前后排樁整體的水平位移均近似呈向上的凹曲線分布，前后排樁的位移相差很小。從樁身位移變形形態(tài)來說，門架樁的位移變化趨勢要比無連梁雙排樁的位移變化趨勢平緩，這說明門架樁在支護(hù)過程中不易產(chǎn)生剪斷或者折斷的現(xiàn)象。連系梁在門架樁支擋結(jié)構(gòu)中起到位移協(xié)調(diào)作用，同時(shí)使得前后兩排樁形成一個(gè)整體，增大了門架樁的整體抗滑剛度?？梢姡T架樁可以更有效地控制邊坡失穩(wěn)。

圖5 樁體位移

圖6 為兩種抗滑樁的前后排抗滑樁樁身彎矩分布。雙排抗滑樁前后排樁樁身彎矩變化規(guī)律基本相同，彎矩均呈“V”字型分布，最大值均發(fā)生在滑動(dòng)面以下的錨固段處，且均為正值，即不存在反彎矩，說明獨(dú)立雙排樁均為單向彎曲。門架樁滑動(dòng)面附近以上部位與以下部位，樁體雙向彎曲，彎矩形狀大致呈“S”型，樁頂以下至滑面范圍內(nèi)有負(fù)彎矩出現(xiàn)。雙排抗滑樁的彎矩最大值均要大于門架樁，后排樁的彎矩最大值均要大于前排樁的最大值。由于門架樁前后排樁間連系梁的設(shè)置，使得結(jié)構(gòu)由原本靜定轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定剛架結(jié)構(gòu)，連系梁與前后排樁的連接處形成負(fù)彎矩，從而使得滑動(dòng)面以下錨固段的最大彎矩大大減小，這對實(shí)際工程是有利的。

圖6 樁體彎矩

圖7 為兩種抗滑樁的前后排抗滑樁的樁身剪力分布。獨(dú)立雙排抗滑樁前、后排樁樁身剪力變化規(guī)律基本相同，滑面以上受荷段近似呈三角形分布，滑面以下錨固段近似呈矩形分布。門架樁前后排樁剪力在滑動(dòng)面以上分布相似；滑動(dòng)面以下剪力分布前后排樁剪力分布趨于等值直線。這兩種抗滑樁滑動(dòng)面以上剪力分布較為接近，滑動(dòng)面以下門架樁略大于雙排樁，且前排樁的剪力總體上要比后排樁來的小。

圖7 樁體剪力

表2 為有/無連梁工況下樁身水平位移及內(nèi)力等對比情況。從表中可以看出，門架樁及獨(dú)立雙排抗滑樁最大水平位移分別約為8.5mm、19.7mm；無論是前排樁還是后排樁、樁頂或樁身位移，獨(dú)立雙排樁的位移都要遠(yuǎn)大于門架樁的位移；門架樁前后排樁樁頂位移相差較小，而獨(dú)立雙排樁頂位移后排樁明顯要大于前排樁；門架樁的最大水平位移約為獨(dú)立雙排樁最大水平位移的1/2。門架樁與獨(dú)立雙排抗滑樁的前后排樁最大正剪力值相差不大。門架樁前后排樁的最大正彎矩分別約為獨(dú)立雙排樁前后排樁最大正彎矩的2/3，且門架樁由于連系梁的存在相比獨(dú)立雙排樁，無論是彎矩還是剪力值均存在負(fù)值，說明連系梁對前、后排樁的影響作用比較大，它的存在大大減小了雙排樁的彎矩值，這對門架樁是受力有利的。

表2 有/無連梁工況下樁體水平位移及內(nèi)力對比

綜上所述，門架樁內(nèi)力和位移分布均要比雙排抗滑樁的情況更加合理，因此，在實(shí)際工程的滑坡治理中應(yīng)優(yōu)先采用門架樁。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件建立三維數(shù)值模型、考慮雙排樁結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，對雙排樁的工作性狀進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

1）對于門架抗滑樁和雙排抗滑樁，門架樁的最大水平位移約為獨(dú)立雙排樁最大水平位移的1/2。門架樁前后排樁的最大正彎矩約為獨(dú)立雙排樁前后排樁最大正彎矩的2/3，后者的位移、內(nèi)力明顯小于前者，且后排樁的變形、內(nèi)力均大于前排樁的變形、內(nèi)力。

2）門架樁由于聯(lián)系梁的存在相比獨(dú)立雙排樁，彎矩和剪力均存在負(fù)值，連系梁存在大大減小了雙排樁的樁身彎矩值，這對門架樁是受力有利的。門架樁在樁身受力與阻滑效果等方面要優(yōu)于獨(dú)立雙排抗滑樁，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選擇門架樁進(jìn)行滑坡的治理。