抗滑樁截面形狀優(yōu)化選擇

汪儒鴻，周海清，吳潤(rùn)澤，梁華友

(1.后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系, 重慶 401331；2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401331)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

抗滑樁截面形狀優(yōu)化選擇

汪儒鴻1,2，周海清1,2，吳潤(rùn)澤1，梁華友1

(1.后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系, 重慶 401331；2.巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401331)

利用FLAC3D軟件，對(duì)矩形和圓形截面抗滑樁的支擋效果進(jìn)行了定性分析，通過(guò)變量控制并結(jié)合土拱效應(yīng)的相關(guān)理論，得出了在抗滑樁剛度相同或者橫截面面積相等(經(jīng)濟(jì)成本和截面承載力相等)的前提下，在不同土質(zhì)的砂土中，矩形截面抗滑樁較圓形截面抗滑樁所形成的樁后土拱更穩(wěn)定，對(duì)滑體支擋效果更好，對(duì)抗滑樁截面形狀的選擇與設(shè)計(jì)有較大的參考價(jià)值。

抗滑樁截面形式；定性分析；數(shù)值模擬；矩形；圓形

在山區(qū)公路及鐵路修建中，由于地質(zhì)地形條件復(fù)雜，形成大量高邊坡工程，抗滑樁的應(yīng)用越來(lái)越多。為了降低工程造價(jià)，在條件許可的情況下，抗滑樁常采用非連續(xù)結(jié)構(gòu)，不設(shè)置擋土板，利用土體自身強(qiáng)度形成的拱效應(yīng)[1]將樁間土體的下滑推力傳遞到樁身，達(dá)到支擋的目的。楊明等[2]從抗滑樁的寬度和樁間距對(duì)土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究；文興等[3]對(duì)特殊截面抗滑樁的受力特征與土拱效應(yīng)進(jìn)行了分析；任永忠等[4]對(duì)不同拱腳形式下的抗滑樁的土拱效應(yīng)進(jìn)行了研究。但從文獻(xiàn)資料來(lái)看，從截面形狀出發(fā)的對(duì)抗滑樁支擋效果影響的研究幾乎沒(méi)有。在滑坡治理工程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)抗滑樁截面形狀的選擇往往多依靠經(jīng)驗(yàn)，無(wú)足夠理論支撐。本文采用數(shù)值模擬方法，結(jié)合實(shí)際工程中出現(xiàn)最多，也是最常見(jiàn)的矩形抗滑樁與圓形抗滑樁，對(duì)這兩種不同截面形狀的抗滑樁支擋的效果進(jìn)行了研究分析，得出了有關(guān)截面形狀優(yōu)化選擇的結(jié)論。

在滑坡治理過(guò)程中，圓形抗滑樁和矩形抗滑樁是最常見(jiàn)的兩類抗滑樁。其中矩形抗滑樁主要采用人工挖孔，具有造價(jià)低廉，抗滑樁剛度較高的優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于人工施工時(shí)安全隱患較大；圓形抗滑樁主要采用機(jī)器鉆孔或沖孔，優(yōu)點(diǎn)在于施工方便，安全性較高，施工工期較短，不足之處在于造價(jià)較高。

1 計(jì)算模型及模型參數(shù)

通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究抗滑樁支擋效果的方法已經(jīng)被越來(lái)越多的學(xué)者所采用[5-9]。本次數(shù)值模擬的核心在于改變抗滑樁的截面形狀，分析其對(duì)抗滑樁支擋效果的影響。

數(shù)值模擬共搭建3種不同的模型，稱為矩形模型，同剛度圓樁模型和同面積圓樁模型。每種模型均由滑體，滑面，基巖，抗滑樁四部分組成，其中3種模型的滑體、滑面、基巖部分基本相同，特別是同體積同高度滑體。主要區(qū)別在于抗滑樁部分，具體設(shè)置及材料參數(shù)如下：

1.1 滑體材料參數(shù)

滑體為內(nèi)摩擦角分別為15°，25°，35°的砂土，如表1所示。通過(guò)平行驗(yàn)證確保在不同土質(zhì)的砂土中，圓形和矩形抗滑樁在支擋效果上具有同一性。雖然只考慮了砂土，但對(duì)在黏聚力較大的土體中設(shè)計(jì)抗滑樁也具有參考意義。

表1 砂土內(nèi)摩擦角(Φ)參考值

1.2 抗滑樁間距

相關(guān)研究指出：抗滑樁樁間凈距過(guò)大，土拱效應(yīng)無(wú)法發(fā)揮作用；樁間凈距過(guò)小，土拱效應(yīng)的作用被浪費(fèi)[10-13]。本次數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)際施工中將抗滑樁樁間凈距取為2～3倍樁寬的常見(jiàn)做法，將所有模型的抗滑樁樁間凈距均取為5 m。

1.3 抗滑樁

矩形模型與同面積圓樁模型用來(lái)驗(yàn)證相同橫截面面積(經(jīng)濟(jì)成本相同及截面承載力相同)的不同截面形狀抗滑樁支擋效果的區(qū)別；矩形模型與同剛度圓樁模型用來(lái)驗(yàn)證相同剛度的不同截面形狀抗滑樁支擋效果的區(qū)別?？够瑯督孛鎱?shù)見(jiàn)表2，布置形式如圖1、圖2所示。

2 模擬步驟

三類模型建立后，通過(guò)改變滑體內(nèi)摩擦角的大小和對(duì)模型加載不同的荷載因子a(a與重力系數(shù)成比例，例如a=3表示對(duì)模型加載0.3倍重力)，研究不同土質(zhì)條件及不同的重力系數(shù)時(shí)抗滑樁支擋效果的區(qū)別。主要對(duì)生成的兩種結(jié)果進(jìn)行研究分析：第1種是模型在計(jì)算運(yùn)行足夠時(shí)步之后，生成的最大不平衡力監(jiān)測(cè)圖，以此判定該模型能否穩(wěn)定收斂及抗滑樁的支擋是否有效；第2種是模型計(jì)算足夠時(shí)步之后生成的滑體位移云圖，并提取關(guān)鍵部位的滑體位移值，用以生成荷載-位移曲線。

表2 抗滑樁截面尺寸

圖1 矩形樁模型示意圖

圖2 圓形樁模型示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 最大不平衡力監(jiān)測(cè)圖的分析

通過(guò)對(duì)最大不平衡力的監(jiān)測(cè)，可以判斷樁后滑體是否受到有效支擋，對(duì)3種模型抗滑樁的支擋效果加以對(duì)比。如表3組別示意1所示，在不同條件下一共進(jìn)行了6組模擬。

以第2組的結(jié)果為例：圖3(a)、(b)、(c)分別表示矩形樁，同剛度圓形樁，同面積圓形樁在滑體內(nèi)摩擦角等于15°，重力荷載因子a=3時(shí)，模型計(jì)算到足夠步數(shù)之后生成的最大不平衡力監(jiān)測(cè)圖?？梢钥闯觯壕匦螛侗憩F(xiàn)出了明顯的收斂性，最大不平衡力逐漸減小直至穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谕馏w下滑過(guò)程中，土體不斷擠壓發(fā)生壓縮和變形，產(chǎn)生不均勻沉降，致使土顆粒間產(chǎn)生互相“楔緊”的作用，于是在一定范圍土層中產(chǎn)生“拱效應(yīng)”[14]，使最大不平衡力逐漸變小。而圖3(b)、(c)表示的兩類圓形抗滑樁，雖然一開(kāi)始最大不平衡力也逐漸減小，但最終失穩(wěn)增大，說(shuō)明土體剛開(kāi)始產(chǎn)生了一定拱效應(yīng)，但最終由于樁間土拱發(fā)生破壞，支擋失效，導(dǎo)致滑體出現(xiàn)大變形大位移。圖3(d)、(e)表示兩類圓形抗滑樁在土體內(nèi)摩擦角同樣為15°，但重力荷載因子a=1時(shí)的支擋情況，用于與圖3(b)、(c)組對(duì)照?？梢杂^察到，此時(shí)同剛度圓樁和同面積圓樁的圖形都是收斂的，說(shuō)明隨著重力因子的加大，圓形抗滑樁從支擋有效變?yōu)橹跏В匦慰够瑯兑廊荒鼙３至己玫闹跣Ч?，說(shuō)明此類條件下矩形抗滑樁優(yōu)于圓形抗滑樁。

表3 組別示意1

圖3 最大不平衡力監(jiān)測(cè)圖

對(duì)其他5組生成的結(jié)果也進(jìn)行如上分析，總的結(jié)果整理后如表4所示。表4中：“穩(wěn)定”說(shuō)明通過(guò)對(duì)模型最大不平衡力的監(jiān)測(cè)，模型的最大不平衡力逐漸減小，最終收斂，抗滑樁的支擋效果較好；“不穩(wěn)定”說(shuō)明通過(guò)對(duì)最大不平衡力的監(jiān)測(cè)，模型最大不平衡力無(wú)法收斂，抗滑樁支擋失效，滑體最終處在不穩(wěn)定、位移較大的狀態(tài)。

3.2 滑體位移-荷載曲線分析

除監(jiān)測(cè)最大不平衡力以外，對(duì)不同條件下滑體位移情況進(jìn)行分析對(duì)比，也是評(píng)價(jià)兩類不同截面形式抗滑樁支擋效果的重要方法。如表5組別示意2所示，在土體內(nèi)摩擦角分別為15°和25°的砂土中分別對(duì)3種模型加載不同的重力條件，觀察其支擋效果。

表4 不同土質(zhì)及荷載條件下結(jié)果匯總

表5 組別示意2

圖4為某一組條件下的兩幅滑體位移云圖：可以看出矩形抗滑樁和圓形抗滑樁的樁后均有明顯的土拱效應(yīng)，說(shuō)明都起到了一定的支擋作用，但相同位移的滑體分布位置及范圍有明顯區(qū)別，因?yàn)閮煞N截面形狀的抗滑樁的支擋效果不一樣。為了更直觀表現(xiàn)3類模型的抗滑樁支擋效果的區(qū)別，將圖4中a、b兩點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，分別提取a、b兩處的位移數(shù)據(jù)生成荷載-位移曲線。其中a點(diǎn)表示樁后滑體位移最大部分的位移值，反映樁間滑體的擠出情況；b點(diǎn)表示占樁后滑體體積最大部分的平均位移值，表現(xiàn)整個(gè)滑體的下滑狀況，該值也最能反映抗滑樁的整體支擋效果。兩組數(shù)據(jù)生成的位移-荷載曲線分別如圖5、圖6所示：橫坐標(biāo)X=荷載因子，縱坐標(biāo)Y=觀測(cè)點(diǎn)位移值/荷載因子。因?yàn)榛w位移隨荷載因子加大而變化的幅度過(guò)大，3類抗滑樁滑體觀測(cè)點(diǎn)位移值的差值與之相比較小，所以縱坐標(biāo)這樣設(shè)置有利于使不同截面形狀抗滑樁支擋效果的區(qū)別更加明顯，便于觀察比較。

圖4 位移云圖示意圖

從兩組位移-荷載曲線可以看出：在不同土質(zhì)的砂土中，相同重力條件下矩形抗滑樁樁后滑體位移要小于另外兩組圓形抗滑樁，具體體現(xiàn)在以下方面：

1) 矩形抗滑樁樁間土體的最大位移要小于與其同剛度及或同截面面積的圓形樁，如圖5(a)和圖6(a)所示。一般來(lái)說(shuō)，樁間土體最大位移越小，滑體發(fā)生繞樁擠出的可能性越小，如果樁間設(shè)置樁板墻，則樁板墻墻后的壓力也會(huì)較小。

2) 矩形抗滑樁對(duì)樁后滑體的整體支擋效果好于另外兩組圓形抗滑樁。主要體現(xiàn)在占矩形樁樁后滑體最大體積比例部分的平均位移要小于另外兩類抗滑樁，如圖5(b)和圖6(b)所示。說(shuō)明此時(shí)矩形抗滑樁的土拱效應(yīng)得到了有效發(fā)揮，對(duì)拱上方土體支擋的效果更好。

圖5 第1組位移-荷載曲線

圖6 第2組位移-荷載曲線

3) 對(duì)比兩組圓形抗滑樁b點(diǎn)的位移-荷載曲線可以發(fā)現(xiàn)，雖然同剛度圓樁的半徑要大于同面積圓樁，但兩者滑體整體的位移區(qū)別不大，說(shuō)明圓形抗滑樁半徑的增大對(duì)滑體整體支擋效果的加強(qiáng)并不明顯。

4 同類型研究對(duì)比

本文是建立在數(shù)據(jù)模擬基礎(chǔ)上的分析，為使得相關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)論更加準(zhǔn)確可信，特與其他同類型研究的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比：

1) 馬年祖[15]就針對(duì) T 形、正方形、矩形、正五邊形、正六邊形、圓形這六種不同形式抗滑樁采用彈塑性有限元強(qiáng)度折減法，按照 1.35 和1.50兩類內(nèi)力變化，對(duì)其加固效果進(jìn)行對(duì)比分析，并研究抗滑柱一邊坡體系的整體抗傾覆性與樁間土拱效應(yīng)，其結(jié)果如表6所示。從工程安全方面來(lái)說(shuō)，T 形加固后期效果好。然而由于要照顧到施工復(fù)雜等因素的影響，當(dāng)方向已知時(shí)安全性較好的是方形與矩形; 方向未知時(shí)，圓形加固效果優(yōu)于矩形。

表6 不收斂6種截面樁加固邊坡的安全系數(shù)

2) 年延凱[16]也認(rèn)為：在實(shí)際工程中，在滑動(dòng)方向已知條件下，矩形和方形抗滑樁優(yōu)于圓形截面樁。

由于本文研究的是在滑動(dòng)方向已知時(shí)不同截面形狀抗滑樁的支擋效果，所以在數(shù)值模擬中得到矩形抗滑樁綜合支擋效果優(yōu)于同剛度或者同截面面積圓形抗滑樁的結(jié)果，與同類型研究的結(jié)論是契合的。

5 結(jié)論

1) 在抗滑樁剛度相同或者橫截面面積相等(經(jīng)濟(jì)成本和截面承載力相等)的前提下，矩形抗滑樁在不同土質(zhì)的砂土中均表現(xiàn)出比圓形抗滑樁更好的支擋效果。主要體現(xiàn)在矩形抗滑樁對(duì)樁后滑體的整體支擋效果較好，其樁后滑體的平均位移較小；同時(shí)矩形抗滑樁樁間土體的最大位移也要小于與其同剛度或同面積的圓形抗滑樁，這對(duì)樁板墻的設(shè)計(jì)以及滑體繞樁擠出的確定有重要意義。

2) 圓形抗滑樁截面半徑的增大對(duì)加強(qiáng)滑體的支擋效果并不顯著，在一定條件下，換用矩形抗滑樁治理邊滑坡比單純?cè)龃髨A形抗滑樁截面半徑更有意義。

3) 在不同截面形狀的抗滑樁造價(jià)成本相等或截面承載力相近的情況下，矩形截面抗滑樁對(duì)滑體的支擋效果更好，綜合效益更高，在抗滑樁截面形狀的選擇中應(yīng)多加以考慮。

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(責(zé)任編輯 楊繼森)

Selection Optimization of Section Shape of Anti-Slip Pile

WANG Ruhong1,2， ZHOU Haiqing1,2， WU Runze1， LIANG Huayou1

(1.Department of Architectural Engineering，Logistical Engineering University of PLA，Chongqing 401331, China;2.Key Laboratory of Geomechanics and Geological Environment Protection of Chongqing Municipality，Chongqing 401331, China)

This paper uses FLAC3D software, and it has rectangular and circular piles of section analysis and qualitative analysis respectively, and it has better effect on retaining wall through variable control and combining with the theory of soil arching effect, and it is concluded that for the same or equal cross section area in the pile stiffness (economic costs and equal cross section bearing capacity) under the premise of sandy soil in different soil, there are rectangular section of anti-slide piles formed by a circular cross section pile been arch is more stable, and the better effect of the retaining wall of the sliding body, and the selection of the pile cross section shape and design have great guidance reference value.

section forms of anti-slide piles；qualitative analysis；numerical modeling；rectangle；circular

2017-02-23；

2017-03-30 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 41072243；41272356)

汪儒鴻(1994—)，男，碩士研究生，主要從事防災(zāi)減災(zāi)與防護(hù)工程研究。

周海清( 1971—)，男，博士，教授，主要從事邊坡穩(wěn)定性及防災(zāi)減災(zāi)研究。

10.11809/scbgxb2017.08.038

format:WANG Ruhong，ZHOU Haiqing，WU Runze,et al.Selection Optimization of Section Shape of Anti-Slip Pile[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):178-182.

TU411

A

2096-2304(2017)08-0178-05

本文引用格式：汪儒鴻，周海清，吳潤(rùn)澤，等.抗滑樁截面形狀優(yōu)化選擇[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(8):178-182.