midas GTS NX在埋入式抗滑樁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

樁頂位于地面及地面以上的抗滑樁稱為全長(zhǎng)式抗滑樁，樁頂位于地面以下一定深度的抗滑樁稱為埋入式抗滑樁?，F(xiàn)行《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 38509-2020）、《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3334-2018）已將埋入式抗滑樁作為抗滑樁工程的一種類型列入其中，推薦在滑坡治理工程中采用。埋入式抗滑樁適用于滑面確定，滑帶抗剪強(qiáng)度明顯低于滑體抗剪強(qiáng)度，僅需通過(guò)對(duì)滑帶及其附近的巖土體加固即可提高整體穩(wěn)定性的滑坡[1]。

1 埋入式抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

（1）傳統(tǒng)計(jì)算方法及其弊端。采用傳統(tǒng)方法計(jì)算抗滑樁時(shí)，作用在抗滑樁上的滑坡推力一般采用極限平衡法，國(guó)內(nèi)主要采用不平衡推力法（或傳遞系數(shù)法）計(jì)算滑坡推力[2]。通常采用極限平衡法對(duì)抗滑樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，不能直接計(jì)算出樁前抗力，如果不考慮樁前抗力，設(shè)計(jì)將偏于保守。采用傳統(tǒng)極限平衡法計(jì)算時(shí)，樁后推力與樁前抗力的分布不能通過(guò)計(jì)算直接得出，需要人為假設(shè)其分布形態(tài)；不能計(jì)算作用在埋入式抗滑樁上的滑坡推力，因而不能進(jìn)行合理樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)；不能對(duì)多排埋入式抗滑樁的合理排間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）有限元強(qiáng)度折減法。有限元分析方法，是在彈塑性有限元模型中，通過(guò)增大巖土體荷載或降低巖土材料強(qiáng)度，采用彈塑性計(jì)算使模型達(dá)到極限破壞狀態(tài)，得到發(fā)生極限破壞時(shí)的安全系數(shù)。根據(jù)滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義，在滑坡穩(wěn)定性計(jì)算中，有限元法可以分為有限元超載法和有限元強(qiáng)度折減法。有限元強(qiáng)度折減法是通過(guò)不斷降低巖土體抗剪指標(biāo)使其達(dá)到極限破壞狀態(tài)，此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)即為滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。采用有限元強(qiáng)度折減法時(shí)，對(duì)滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義可表示為：

上述對(duì)滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義，與采用傳統(tǒng)極限平衡法計(jì)算滑坡時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)一致，都表示整個(gè)滑面達(dá)到了極限狀態(tài)，是整個(gè)滑面的平均安全系數(shù)，屬于強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。

（3）埋入式抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算在midas GTS NX中的實(shí)現(xiàn)。midas GTS NX是巖土工程通用有限元分析軟件，支持靜力分析、動(dòng)態(tài)分析、滲流和固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定分析、施工階段分析等；包含彈性本構(gòu)，莫爾-庫(kù)倫、德魯克-普拉格、修正劍橋等塑性本構(gòu)；包含平面應(yīng)變、實(shí)體、桁架、梁、接觸、連接等單元。軟件界面友好、功能全面、容易上手。

采用midas GTS NX軟件對(duì)埋入式抗滑樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，抗滑樁可以采用梁?jiǎn)卧驅(qū)嶓w單元進(jìn)行模擬。采用梁?jiǎn)卧M抗滑樁，可以反應(yīng)樁的受拉、受壓、受彎、受剪等特性，可以輸出樁身軸力、彎矩、剪力等。

2 埋入式抗滑樁合理樁長(zhǎng)的確定

埋入式抗滑樁進(jìn)入滑床穩(wěn)定巖土層內(nèi)的嵌固深度應(yīng)主要根據(jù)嵌固段巖土體的水平承載力特征值確定，樁進(jìn)入滑體內(nèi)的長(zhǎng)度確定應(yīng)保證滑體不產(chǎn)生越頂剪出。采用midas GTS NX軟件對(duì)埋入式抗滑樁的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法算出不同樁長(zhǎng)時(shí)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，當(dāng)設(shè)置某一樁長(zhǎng)后的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到要求的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，此時(shí)的樁長(zhǎng)即為合理樁長(zhǎng)。某公路旁堆積體滑坡，擬在滑體下部采用埋入式抗滑樁進(jìn)行治理，巖土體及材料計(jì)算參數(shù)如表1。

表1 滑坡巖土體及材料計(jì)算參數(shù)

采用midas GTS NX軟件對(duì)滑坡建模，滑體、滑帶、穩(wěn)定基巖采用平面應(yīng)變單元模擬；埋入式抗滑樁采用植入式梁?jiǎn)卧M，改變樁長(zhǎng)時(shí)不需重新劃分巖土體網(wǎng)格，可以節(jié)省建模時(shí)間。埋入式抗滑樁設(shè)在滑坡體下部，樁全斷面嵌入穩(wěn)定基巖6m，滑體內(nèi)樁長(zhǎng)分別為3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、12.8m（全長(zhǎng)樁）。采用有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算不同抗滑樁長(zhǎng)度時(shí)的滑坡穩(wěn)定性，不同樁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的滑坡穩(wěn)定系數(shù)如表2，不同樁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的滑面位置如圖1。

表2 不同樁長(zhǎng)時(shí)的滑坡穩(wěn)定系數(shù)

當(dāng)抗滑樁有足夠強(qiáng)度時(shí)，隨著埋入式抗滑樁在滑體內(nèi)樁長(zhǎng)的增加，最危險(xiǎn)滑面不斷上移，穩(wěn)定系數(shù)不斷增加。當(dāng)樁長(zhǎng)從9m增加至13m（滑體內(nèi)樁長(zhǎng)從3m增加至7m）時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)增加速率較快；樁長(zhǎng)超過(guò)13m時(shí)，隨著滑體內(nèi)樁長(zhǎng)的不斷增加，穩(wěn)定系數(shù)增加速率變緩。對(duì)于該滑坡，當(dāng)抗滑樁位于滑體下部時(shí)，埋入式抗滑樁合理樁長(zhǎng)約為13m，其中滑體內(nèi)樁長(zhǎng)7m，約為抗滑樁處滑體厚度的0.55倍。

圖1 不同樁長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的滑面位置

3 埋入式抗滑樁的內(nèi)力計(jì)算

埋入式抗滑樁所承受的滑坡設(shè)計(jì)推力可采用有限元法強(qiáng)度折減法計(jì)算，計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)滑體與滑帶強(qiáng)度參數(shù)按設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行折減。當(dāng)采用實(shí)體單元模擬樁和巖土體時(shí)，樁所受承受的設(shè)計(jì)推力為靠山一側(cè)的樁后推力和樁前抗力的差值。樁后推力和樁前抗力計(jì)算可采用路徑積分法，即自滑面以上對(duì)樁土接觸面上的水平應(yīng)力進(jìn)行積分，所得積分值即為樁后推力或抗力。當(dāng)采用梁?jiǎn)卧M樁時(shí)，只需對(duì)滑面以上樁身梁?jiǎn)卧乃綉?yīng)力進(jìn)行積分，此時(shí)的積分結(jié)果即為樁承擔(dān)的滑坡推力。埋人式抗滑樁的內(nèi)力可由梁?jiǎn)卧苯铀愠鰪澗睾图袅Γ蚋鶕?jù)有限元法算得的滑坡推力分布采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。采用midas GTS NX軟件對(duì)滑坡建模，埋入式抗滑樁采用梁?jiǎn)卧M，采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算后，通過(guò)查看梁?jiǎn)卧獌?nèi)力，可直接得出埋入式抗滑樁樁身軸力、彎矩、剪力數(shù)值及分布。

4 多排埋入式抗滑樁合理排間距的優(yōu)化

對(duì)于滑體長(zhǎng)度大，或滑坡推力大的滑坡，只用一排抗滑樁難以滿足工程要求時(shí)，可采用多排抗滑樁。對(duì)多排全長(zhǎng)抗滑樁，通常按各排抗滑樁分擔(dān)的滑坡推力大致相等的原則確定排間距。對(duì)多排埋入式抗滑樁，由于作用在樁上的滑坡推力難以采用極限平衡法求出，采用各排樁分擔(dān)的滑坡推力大致相等確定排間距無(wú)法實(shí)現(xiàn)。上述公路堆積體滑坡另一典型剖面，擬采用兩排埋入式抗滑樁進(jìn)行滑坡治理，巖土體及材料計(jì)算參數(shù)、采用midas GTS NX軟件對(duì)滑坡建模如前所述。對(duì)不同排間距13m、26m、37m、48m，采用有限元強(qiáng)度折減法，分別計(jì)算滑坡穩(wěn)定性，不同排間距對(duì)應(yīng)的滑坡穩(wěn)定系數(shù)如表3。

表3 兩排埋入式抗滑樁不同排間距對(duì)應(yīng)的滑坡穩(wěn)定系數(shù)

當(dāng)兩排埋入式抗滑樁排距較近（排距13m）時(shí)，最危險(xiǎn)滑面位于兩排抗滑樁上部，滑坡穩(wěn)定系數(shù)較低；后排樁樁身內(nèi)力明顯大于前排樁樁身內(nèi)力，后排樁承擔(dān)的滑坡推力較大。當(dāng)兩排埋入式抗滑樁排距較大（排距48m）時(shí)，最危險(xiǎn)滑面位于兩排抗滑樁之間，滑坡穩(wěn)定系數(shù)較低；前排樁樁身內(nèi)力明顯大于后排樁樁身內(nèi)力，前排樁承擔(dān)的滑坡推力較大。當(dāng)兩排埋入式抗滑樁間距適中（排距37m）時(shí)，最危險(xiǎn)滑面分布于兩排樁之間及兩側(cè)，組成復(fù)合型滑面，穩(wěn)定系數(shù)較高；前排樁和后排樁樁身內(nèi)力分布一致、大小基本相等，所承擔(dān)的滑坡推力大致相等?？赏ㄟ^(guò)不斷調(diào)整多排埋入式抗滑樁之間的排距，可使各排樁承擔(dān)的滑坡推力大致相等，樁身內(nèi)力大小及分布基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)行《滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 38509-2020）推薦采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)埋人式抗滑樁進(jìn)行計(jì)算，使用midas GTS NX軟件中的埋入式梁?jiǎn)卧缺憬莨δ?，通過(guò)有限元強(qiáng)度折減法，可高效的進(jìn)行埋入式抗滑樁合理樁長(zhǎng)的確定、樁身內(nèi)力計(jì)算、多排樁排距優(yōu)化等。采用有限元分析軟件，可方便快捷地對(duì)埋入式抗滑樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，為其在滑坡治理工程中的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。