抗滑樁在邊坡治理中的設(shè)計(jì)與受力分析研究

楊文崗

摘 要 由于我國地形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，滑坡屬于一種常見的不良自然地質(zhì)現(xiàn)象，具有很大的破壞力，給國家的建設(shè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。近幾年，面對(duì)滑坡事故現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，滑坡治理已成為重要的研究課題。隨著我國對(duì)滑坡治理的不斷研究，抗滑樁在邊坡治理中得到了廣泛應(yīng)用，其屬于一種治理滑坡的措施，但目前抗滑樁的治理還存在許多不足之處。因此，分析抗滑樁在邊坡治理中的設(shè)計(jì)與受力具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞 抗滑樁；邊坡治理；設(shè)計(jì)；受力計(jì)算

中圖分類號(hào)：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）24-0053-02

近幾年，隨著我國土地資源不斷的開發(fā)利用，滑坡問題已成為我國建設(shè)的重要研究課題，而抗滑樁是一種治理滑坡災(zāi)害的有效措施。據(jù)調(diào)查了解，當(dāng)前抗滑樁在公路、鐵路及水電等方面得到了廣泛應(yīng)用，在實(shí)際滑坡治理中，抗滑樁應(yīng)用最多的是工程支擋結(jié)構(gòu)，具有抗滑能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)體積小、施工方便、具有能承受較大滑坡下滑推力的優(yōu)點(diǎn)。但面臨抗滑樁在理論上和具體應(yīng)用方面存在的抗滑樁間距、樁身受力、設(shè)計(jì)優(yōu)化等問題，分析研究抗滑樁在邊坡治理中的設(shè)計(jì)與受力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 抗滑樁內(nèi)力分析與計(jì)算

對(duì)于抗滑樁內(nèi)力計(jì)算，實(shí)際上是指對(duì)水平受荷樁的內(nèi)力計(jì)算，采用的計(jì)算方法有線彈性地基系數(shù)法、非線性地基反立法、懸臂樁法、綜合剛度原理、雙參數(shù)法等。其中，懸臂樁法在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，是比較早提出的一種計(jì)算抗滑樁內(nèi)力的方法，具有簡單實(shí)用的特點(diǎn)。懸臂樁法的工作原理是：首先將滑動(dòng)面以上的抗滑樁受荷段和滑動(dòng)面一下錨固段部分分別看做懸臂梁和彈性地基梁，已知受荷段所承受的樁后滑坡推理和剩余抗滑力，并假設(shè)樁后、樁前兩力的分布形式相同，然后計(jì)算抗滑樁受荷段的內(nèi)力；而計(jì)算錨固段的內(nèi)力時(shí)，通過將抗滑樁作為彈性地基梁，采用地基系數(shù)法，結(jié)合樁底的邊界條件，計(jì)算機(jī)樁體內(nèi)力。為了確?？够瑯对谶吰禄瑒?dòng)面處的位移連續(xù)性，將受荷段部分與錨固段部分所計(jì)算滑動(dòng)面處的位移疊加，然后建立一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)體系，這樣就可以使得計(jì)算的結(jié)構(gòu)符合樁頭實(shí)際變形和受力情況[1]。

對(duì)于滑坡推力的計(jì)算，主要是指抗滑樁受到邊坡滑動(dòng)面以上后土體的推力作用或受到樁前土體剩余抗滑力的作用，其對(duì)抗滑樁的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很大影響，只有確定了滑坡推力的大小及分布形式，才能明確抗滑樁的設(shè)計(jì)荷載。因此，對(duì)于滑坡推力的計(jì)算，目前使用最多的方式就是極限平衡法，但在運(yùn)用該方法時(shí)，因?qū)瑝K未知內(nèi)力的假設(shè)不同，該方法又分為傳遞系數(shù)法、簡化Bishop法及Janbu法等，其中，對(duì)于傳遞系數(shù)法，主要應(yīng)用于一些傾角比較平緩、呈折線形的滑動(dòng)面。傳遞系數(shù)法的基本原理是：假設(shè)每個(gè)條塊受到的內(nèi)力與相鄰上一條塊地面平行，然后通過力的平衡逐漸從上向下推求，最后直到最后一條塊的滑坡推理為零，由靜力平衡條件可知，條塊i的下滑力計(jì)算公式為[2]：

公式中，i代表?xiàng)l塊i底面的內(nèi)摩擦角，ci代表粘聚力，i代表滑塊底面長度，ψi代表傳遞系數(shù)。然而，對(duì)于抗滑樁設(shè)計(jì)荷載的確定，其采用的形式有多種，常見的是取抗滑樁設(shè)置處的設(shè)計(jì)剩余推力值作為設(shè)計(jì)荷載[3]。這種方法也有不足之處，雖然采用該方法可以使抗滑樁維持滑體穩(wěn)定，但造價(jià)偏高。除此之外，對(duì)于抗滑樁的要素設(shè)計(jì)分析，主要包括抗滑樁的平面布置、錨固深度、界面尺寸及形狀等因素，這些因素是相互影響、相互制約的。在抗滑樁設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮這些因素。當(dāng)前，很多學(xué)者采用基于樁間土體拱原來來推導(dǎo)出抗滑樁樁間距計(jì)算公式，但這種方式還并不完善?；诖?，對(duì)于當(dāng)前抗滑樁設(shè)計(jì)不足的問題，還需要進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 有限元模擬在抗滑樁治理工程中的應(yīng)用

面對(duì)當(dāng)前抗滑樁設(shè)計(jì)的不足之處，采用有限元模擬方法，其是一種處理固體力學(xué)問題的方法提煉出來的，基本工作思路是將研究對(duì)象離散為許多小單元，然后結(jié)合給定邊界條件和荷載條件，推導(dǎo)有限元方程，最終得到位移、應(yīng)力等結(jié)果。有限元法的基本過程為：連續(xù)體離散、確定位移模式、單元分析、整體分析、求解等步驟。目前，國際上有很多面向工程的有限元分析軟件，其中，ANSYS軟件就是其中一種，具有強(qiáng)大的分析功能，同時(shí)也擁有豐富的單元庫進(jìn)而材料模型庫，能夠有效求解各類結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、靜力、動(dòng)力及非線性問題?；诖?，將有限元法應(yīng)用與抗滑樁分析中，在傳統(tǒng)的抗滑樁受力計(jì)算中，往往是將抗滑樁和滑坡體的受力作用分開考慮的，其中，對(duì)于滑坡體推力，往往作為荷載施加到樁體上，由于傳統(tǒng)的抗滑樁計(jì)算方法沒有充分考慮樁與土之間的相互影響，如推力的分布形式、樁前抗力的大小等，這就導(dǎo)致很多設(shè)計(jì)參數(shù)取值不合理。而有限元法可以很好地處理樁與土之間共同作用力。為此，本文采用ANSYS有限元法來模擬樁土間的相互作用，ANSYS有限元模擬如圖1所示[5]。在有限元模型中，工作流程為：模型單元的選取、模型參數(shù)的選取、模型網(wǎng)格劃分、施加模型荷載和計(jì)算求解、模擬結(jié)果分析等。

針對(duì)有限元模型在抗滑樁邊坡治理工程中的應(yīng)用，如巖土體的數(shù)值模擬，由于抗滑樁與滑坡體相互作用過程中的滑坡體變形比較大，容易達(dá)到塑性狀態(tài)。因此，在滑坡巖土體受力計(jì)算中，采用Drucker-Prager理想彈塑性模型，其是在考慮靜水壓力的D-P屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上建立起來的，計(jì)算公式為[4]：

公式中，K為體積壓縮模量，G為剪切彈性模量，α為土體內(nèi)摩擦角。由于該模型充分考慮了靜水壓力對(duì)屈服與強(qiáng)度的影響和巖土類材料的剪脹性，并且模型參數(shù)較多，計(jì)算方法比較簡單，該模型適用于巖土類材料的數(shù)值模擬。然而，對(duì)于抗滑樁的數(shù)值模擬，在樁土相互作用過程中，與土體相比，樁的彈性模量要大的多。因此，對(duì)抗滑樁數(shù)值模擬的建立，抗滑樁可按線彈性材料處理，其本構(gòu)關(guān)系為：（D為彈性矩陣）。而ANSYS軟件可以按實(shí)體單元或梁桿單元建模，采用實(shí)體單元建模時(shí)，可以獲得抗滑樁前、樁后的應(yīng)力分布。采用梁桿單元建模時(shí)，可以獲得抗滑樁體內(nèi)及變形大小分布。另外，對(duì)于樁土間接觸面和滑動(dòng)面的數(shù)值模擬，在樁土相互作用過程中，由于抗滑樁、滑坡土體兩者的彈性模量相差較大，容易造成樁體和土體接觸面產(chǎn)生滑動(dòng)、錯(cuò)移的情況。為了有效避免此類情況的發(fā)生，往往需要在兩者接觸面上設(shè)置接觸單元來協(xié)調(diào)兩者之間的變形。但由于接觸是狀態(tài)變化非線性類型中的一個(gè)比較特殊、而又非常重要的部分，主要分為剛體-柔性的接觸和半柔體-柔性的接觸兩類。由于有限元軟件ANSYS支持點(diǎn)-點(diǎn)、面-面、點(diǎn)-面等三種接觸方式，并且每種接觸方式都適用于某類特定問題。其中，對(duì)于點(diǎn)-點(diǎn)接觸方式，主要用于模擬點(diǎn)-點(diǎn)的接觸行為，在采用該方法時(shí)，需要事先明確其接觸位置，因該方法的局限性，其只能適用于接觸面之間相對(duì)滑動(dòng)較小的受力分析處理；對(duì)于點(diǎn)-面接觸方式，與點(diǎn)-點(diǎn)接觸方式相比，不需要事先知道確切的接觸位置，同時(shí)也不需要保持一致性的網(wǎng)絡(luò)，允許有較大的相對(duì)滑動(dòng)，主要用于點(diǎn)-面接觸行為建模；而面-面接觸單元是通過建立一個(gè)接觸對(duì)來識(shí)別目標(biāo)單元和接觸單元的實(shí)常號(hào)。因此，在接觸模型中，采用ANSYS面-面接觸單元的方式，即：分別選擇接觸面上的抗滑樁和滑坡體為目標(biāo)單元和接觸單元，程序通過一個(gè)共享的實(shí)常號(hào)來識(shí)別接觸對(duì)，這樣就可以通過接觸向?qū)硗晟平佑|對(duì)的建立，以便進(jìn)行數(shù)值模擬。在抗滑樁與滑坡接觸中，采用面-面接觸單元的方式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可以支持大滑動(dòng)、摩擦的大變形；二是不受剛體表面的限制，允許有網(wǎng)格離散造成的表面不連續(xù)；三是可以獲得更好的接觸結(jié)果；四是只需要較少的接觸單元，設(shè)計(jì)參數(shù)較少?？偟膩碚f，采用ANSYS自帶的D-P彈塑性模型來模擬樁土體的相互作用，在不考慮塑性變形的狀態(tài)下，將抗滑樁作為彈性材料處理，更好地反映了抗滑樁與土體間的接觸問題，同時(shí)也與土體實(shí)際變形情況接近。

3 總結(jié)

針對(duì)抗滑樁滑坡治理設(shè)計(jì)所存在的不足之處，即相關(guān)參數(shù)對(duì)抗滑樁設(shè)計(jì)的影響，通過采用有限元法對(duì)抗滑樁滑坡治理工程進(jìn)行模擬分析，經(jīng)過相關(guān)參數(shù)分析，提出比較合理的計(jì)算公式，并科學(xué)、合理對(duì)抗滑樁與滑坡接觸面的受力進(jìn)行分析，以保證抗滑樁邊坡治理的受力得到很好的控制。總的來說，采用有限元模擬方法，通過對(duì)抗滑樁、巖土體及樁土間接觸面和滑動(dòng)面的數(shù)值模擬，對(duì)抗滑樁在邊坡治理中的受力計(jì)算分析，具有十分重要的研究意義。

參考文獻(xiàn)

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[4]張曉詠.抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[D].福州大學(xué)，2010.

[5]孫書偉.微型樁結(jié)構(gòu)加固邊坡受力機(jī)制和設(shè)計(jì)計(jì)算理論研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2009.endprint