門架式雙排抗滑樁承載變形特性影響因素分析★

朱 蒙 蒙

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 概述

門架式雙排抗滑樁在邊坡防護(hù)領(lǐng)域正逐步推廣應(yīng)用，是一種極具潛力的結(jié)構(gòu)形式[1,2]。是一種空間組合類支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有內(nèi)支撐(見(jiàn)圖1)，通過(guò)發(fā)揮空間組合樁的整體剛度和空間效應(yīng)，與樁間土協(xié)同工作來(lái)抵抗滑坡體中的剩余下滑力，以控制滑坡體變形。目前，對(duì)門架式雙排樁承載變形影響因素的研究還比較少。申永江等[8]提出一種計(jì)算前后排抗滑樁內(nèi)力的計(jì)算方法。張永杰[9]提出了h型抗滑樁簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并對(duì)其承載變形的影響因素進(jìn)行了分析。周翠英等[10]建立出了求解門架式雙排抗滑樁內(nèi)力的力學(xué)模型并分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上基于數(shù)值仿真，結(jié)合萬(wàn)福垴后山滑坡防治工程，利用ANSYS有限元軟件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)雙排樁承載變形的影響規(guī)律。以確定門架式雙排樁在滑坡治理工程應(yīng)用中排間距、錨固深度、連梁剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)取值，為類似的滑坡治理提供借鑒。

2 工程實(shí)例與建模

2.1 工程概況

萬(wàn)福垴后山滑坡位于宜昌高新區(qū)白洋工業(yè)園區(qū)紫云鐵路雨水箱涵K0+226.1～K0+369.1段，滑坡體前緣寬度約為40 m，后緣寬度約為23 m。變形體長(zhǎng)度約40 m，變形面積約1 440 m2，變形體平均厚度約4.0 m，現(xiàn)變形方量約5 760 m3，屬小型滑坡體。該滑坡體地表可見(jiàn)大量近似平行拉裂縫，其中在居民樓前一條裂縫延伸長(zhǎng)度約61 m。

滑坡采用門架式雙排抗滑樁進(jìn)行治理，設(shè)計(jì)尺寸為：前排樁樁長(zhǎng)17 m～19 m，后排樁樁長(zhǎng)18 m～21 m，前后排樁直徑D=2 m，連梁尺寸1 m×2 m；前后排樁間距4 m，樁基列距4 m～7.5 m；抗滑樁材料采用HRB400鋼筋，C30混凝土。

2.2 仿真分析模型

在建立有限元模型時(shí)，把前后排抗滑樁看做整體置于滑坡體中，用Plane42單元模擬樁，樁、土接觸面和滑帶接觸面采用目標(biāo)單元為Targe169，接觸單元為Conta172。滑體、滑床以及滑動(dòng)面均遵循德魯克—普拉格(Drucker-Prager)準(zhǔn)則處理，但不同土體其粘滯系數(shù)C和內(nèi)摩擦角φ不同。

在滑坡體的前緣布設(shè)1號(hào)、2號(hào)上下兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，滑坡體的中部和后緣分別布設(shè)3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。通過(guò)創(chuàng)建ANSYS的路徑操作，將滑面以上樁的位移結(jié)果映射到路徑上，提取出前后樁的樁身應(yīng)力和水平位移數(shù)據(jù)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 錨固深度對(duì)承載變形的影響

抗滑樁的支擋作用主要依靠滑面以下滑床基巖對(duì)抗滑樁的錨固作用，因此抗滑樁錨固段的長(zhǎng)度直接影響到邊坡的加固效果。錨固段太短，受到滑坡較大的剩余下滑力時(shí)容易整體失穩(wěn)進(jìn)而邊坡加固失效。錨固段太長(zhǎng)，不但增加工程費(fèi)用和工期，也加大了施工難度。為探究合理的錨固深度，分別用錨固深度為6 m,8 m,10 m,12 m(即樁長(zhǎng)h的1/3～2/3)的抗滑樁進(jìn)行數(shù)值仿真，進(jìn)而分析邊坡位移、樁身位移與應(yīng)力狀況，以確定合理的錨固深度。

由圖3可知，錨固深度由6 m增至10 m時(shí)，滑坡體位移下降較快，四個(gè)標(biāo)記點(diǎn)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的位移分別減小5.15 mm，4.09 mm，4.74 mm，3.35 mm，四個(gè)點(diǎn)處位移平均減小17.25%。錨固深度由10 m增至12 m時(shí)，四個(gè)標(biāo)記點(diǎn)位移分別減小0.61 mm，0.31 mm，0.33 mm，0.22 mm。四個(gè)點(diǎn)處位移平均減小僅1.35%。

圖4a)，圖4b)是錨固深度為8 m時(shí)前后排樁在滑動(dòng)面以上的位移和應(yīng)力云圖，從圖中可知，抗滑樁的最大位移在樁頂，滑動(dòng)面以上的樁身應(yīng)力集中在轉(zhuǎn)角處。由圖4c)可知，前排樁的位移要略大于后排樁的位移，這可能是由于前排樁在滑動(dòng)面以上的懸臂部分要更大一些，在樁頂受力相等時(shí)其撓度要更大一些。隨著樁的錨固深度增加，前后排樁位移先減小到一定值后基本保持不變。當(dāng)錨固深度由6 m增大至10 m時(shí)，前后排樁樁頂水平位移分別減小了12.4%，11.2%，當(dāng)錨固深度由10 m增大至12 m時(shí)，前后排樁樁頂水平位移分別減小1.2%，0.9%。另外，錨固深度的增加樁身的最大應(yīng)力會(huì)有所增加，達(dá)到一定值后保持不變。這是由于樁身的整體長(zhǎng)度增加引起的。因此，在設(shè)計(jì)門架式雙排抗滑樁時(shí)，錨固深度宜取樁長(zhǎng)的1/2。

3.2 連梁剛度對(duì)承載變形的影響

對(duì)于門架式雙排抗滑樁，連梁使前后排樁構(gòu)成統(tǒng)一的整體，前后排間主要依靠連梁和樁間土進(jìn)行力的傳遞。由于前后排樁通過(guò)連梁合理分配滑坡剩余下滑力，所以雙排樁才抵抗力大、樁身位移小。因此有必要對(duì)連梁剛度進(jìn)行計(jì)算分析，以確定連梁的設(shè)計(jì)參數(shù)。建立連梁剛度分別為0.5EI，1.0EI，1.5EI，2.0EI(EI為前后排樁的剛度)的抗滑樁模型，仿真計(jì)算連梁剛度對(duì)滑坡體位移、抗滑樁位移應(yīng)力的影響規(guī)律，以此得到合理的連梁剛度范圍。

圖5結(jié)果表明，隨著連梁剛度的不斷增加，坡體位移量逐漸減小，但減小的幅度也越來(lái)越小。當(dāng)連梁剛度由0.5EI增至1.0EI時(shí)，滑坡體位移下降較快，四個(gè)標(biāo)記點(diǎn)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的位移分別減小3.25 mm,2.6 mm,3.1 mm,2.2 mm，四個(gè)點(diǎn)處位移平均減小11.45%。錨固深度由1.0EI增至2.0EI時(shí)，四個(gè)標(biāo)記點(diǎn)位移分別減小1.45 mm，0.75 mm，1.34 mm，0.82 mm。四個(gè)點(diǎn)處位移平均減小僅3.39%。連梁剛度由0.5EI增加至1.0EI時(shí)，坡體位移減小較多，邊坡加固效果明顯，這說(shuō)明連梁剛度在0.5EI～1.0EI內(nèi)變化時(shí)，通過(guò)增加連梁剛度來(lái)阻止滑坡體變形是較有效的。

根據(jù)圖6可知，前后排樁的位移變化趨勢(shì)基本相同，隨著連梁剛度的增大，樁體的位移不斷減小，但減小的幅度也越來(lái)越小。其中連梁剛度由0.5EI增大到2.0EI時(shí)，前后排樁樁頂水平位移分別減小了26.4%，27.5%，當(dāng)錨固深度由1.0EI增大至2.0EI時(shí)，前后排樁樁頂水平位移分別減小11.2%，12.3%。另外，考慮到抗滑樁的構(gòu)造，連梁寬度盡量等于樁基直徑，因此，在進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)，連梁剛度在1.0EI～1.5EI比較合適。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用ANSYS有限元軟件建立了萬(wàn)福垴后山滑坡仿真模型，系統(tǒng)分析了門架式雙排樁前后排間距、錨固深度、連梁剛度等主要因素對(duì)抗滑樁承載性能的影響。根據(jù)分析結(jié)果主要結(jié)論如下：1)錨固深度太短不利于結(jié)構(gòu)的安全，而太長(zhǎng)又造成浪費(fèi)。仿真結(jié)果表明，錨固深度超過(guò)樁長(zhǎng)的1/2時(shí)，對(duì)樁頂和滑坡位移基本無(wú)影響。因此，在樁身長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，錨固深度建議取1/2樁長(zhǎng)；2)連梁剛度超過(guò)樁基剛度1.0倍時(shí)，對(duì)抗滑樁的承載性能影響較小。并考慮到經(jīng)濟(jì)合理性及構(gòu)造特性，連梁剛度宜為1.0倍的樁基剛度。