基于GEO5有限元模塊的抗滑樁優(yōu)化設計

張 偉，余祥銀，孫春輝

（1.山東省交通規(guī)劃設計院集團有限公司，山東 濟南 250031；2.昭通市高速公路建設辦公室，云南 昭通 657000；3.山東高速城鄉(xiāng)發(fā)展集團有限公司，山東 濟南 250031）

引言

因粵北地區(qū)構(gòu)造發(fā)育、煤系地層分布廣泛，巖層分布無規(guī)律可循，坡體多呈現(xiàn)蠕動變形，常見的錨固措施如錨桿、錨索等難以根治坡體變形，近年來抗滑樁作為主要的治理煤系地層邊坡的措施被廣泛應用，舒海明等［1］在某煤系地層邊坡中采用樁徑2.2 m 圓形抗滑樁對滑坡進行治理，效果較理想；計算軟件及方法也較多研究，杜興無等［2］采用ANSYS 有限元模型對門式抗滑樁進行分析計算；孫勇［3］將公路橋梁多排樁計算的結(jié)構(gòu)力學方法引入到雙排抗滑樁計算中，并提出了修正后的m法，同時采用有限桿單元法對雙排樁的連梁剛度進行了分析。

粵北地區(qū)常年多雨，由于煤系地層具有雨水塌孔等不利因素，人工挖孔抗滑樁存在較大安全隱患且效率較低，旋挖鉆機圓形抗滑樁由于機械施工方便、快捷，在治理粵北煤系地層滑坡中廣泛應用，但是對于大中型滑坡由于滑坡推力較大，單排樁往往需要大樁徑、雙排甚至多排配筋才能滿足抗滑要求。

1 滑坡巖土體特征及剩余下滑力計算

在建龍懷高速K132 滑坡在地質(zhì)條件、剩余下滑力相同的條件下分別對單排直徑2.6 m 抗滑樁、雙排樁頂有和無系梁直徑2.0 m 抗滑樁進行側(cè)向位移及內(nèi)力分計算，分析比對三種樁型的優(yōu)缺點，結(jié)合現(xiàn)場實際情況采用最優(yōu)樁型組合對該邊坡進行處置。

滑體為含碎石粉質(zhì)黏土、全風化泥質(zhì)砂巖（含高嶺石泥巖）及全風化炭質(zhì)頁巖；滑床為強-中風化炭質(zhì)灰?guī)r夾全風化炭質(zhì)頁巖；滑動面上部切割含碎石粉質(zhì)黏土、全風化泥質(zhì)砂巖層，中部切割全風化泥質(zhì)砂巖（含高嶺石泥巖）軟弱面及全風化炭質(zhì)頁巖層面，下部沿全風化泥質(zhì)砂巖與中風化炭質(zhì)灰?guī)r層面滑動。根據(jù)鉆孔中強風化碳質(zhì)灰?guī)r雨水容易沿裂隙面開裂，強度降低，巖層互層現(xiàn)象。

根據(jù)深孔測斜數(shù)據(jù)擬定滑面，按照現(xiàn)狀邊坡安全系數(shù)Fs=1.1 進行抗剪強度指標反算：黏聚力 c=16 kPa、內(nèi)摩擦角φ=15°，邊坡按照設計斷面卸載后穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=1.2 時，剩余下滑力為1 000 kN。

2 GEO 有限元分析模型

計算采用庫倫GEO5 2017 版巖土工程有限元分析模塊模擬雙排樁內(nèi)力及位移變形，雙排樁計算模型見圖1。

圖1 雙排樁計算模型

2.1 基本假設

（1）按照平面應變建立有限元模型，選用全牛頓-拉普森迭代方法，每進行一次平衡迭代修改剛度矩陣一次。邊界條件為左右兩側(cè)水平約束，下部固定，上部為自由邊界。邊界范圍對有限元計算精度影響較大，模型范圍：坡腳到左側(cè)邊界的距離為坡高的1.5 倍，坡頂?shù)接叶诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍，上下邊界總高度不低于2 倍坡高。模型長度為125 m，高度60 m，厚度15 m，見圖2。

圖2 有限元網(wǎng)格

（2）后排樁后始終作用主動土壓力。樁間土和前排樁被動區(qū)的土采用彈簧模擬；整個結(jié)構(gòu)是一個門型鋼架結(jié)構(gòu)；被動區(qū)土體的反力不能大于被動土壓力。

（3）用梁單元模擬抗滑樁，抗滑樁與系梁的連接均為剛性節(jié)點，可以協(xié)調(diào)前后排樁的變形并傳遞彎矩及剪力，并根據(jù)之前SLOPE 軟件計算的剩余下滑力換算成梁荷載均勻并垂直加至后排樁（梁）上，樁后土體豎向應力等效成荷載加至樁后土體上，進行初始地應力分析，見圖3。

圖3 進行初始地應力分析

2.2 材料參數(shù)

抗滑樁及樁頂系梁為C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，滑體主要有全風化泥質(zhì)砂巖（含高嶺土成分較高），滑床為中強風風化泥質(zhì)砂巖及炭質(zhì)頁巖互層，部分鉆孔見空洞，巖性復雜。有限元分析時，抗滑樁、樁頂系梁、滑床巖土體為線彈性材料，僅需考慮彈性模量、泊松比、重度，樁和巖土體相關(guān)材料參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

在下滑力及相關(guān)參數(shù)不變的情況下，分別建立直徑2.6 單排抗滑樁、雙排直徑2 m 有樁頂系梁抗滑樁和雙排直徑2 m 無樁頂系梁抗滑樁三種有限元模型，并對比三種模型抗滑樁內(nèi)力及位移分布的異同?？够瑯赌Ｐ蛥?shù)及受力參數(shù)見表2、表3。

表2 模型相關(guān)參數(shù)

表3 抗滑樁受力相關(guān)參數(shù)

3.1 三種模型彎矩分布及分析

三種不同抗滑樁樁身彎矩布設，見圖4～圖6。

圖4 單排抗滑樁彎矩

圖5 雙排樁頂無系梁抗 滑樁彎矩

圖6 雙排樁頂有系梁抗滑樁彎矩

可以看出，圖4、圖5 最大彎矩位于位于滑面以下，圖6 最大彎矩位于樁頂，這是由于樁頂系的設置與抗滑樁組成了超靜定鋼架結(jié)構(gòu)，連接處形成反彎矩，與前兩種類型相比，樁頂加系梁抗滑樁滑面以下最大彎矩大幅度減少，并且前、后排樁受力均勻，分布較協(xié)調(diào)，抗滑樁彎矩對比見表4。

表4 抗滑樁彎矩對比

3.2 三種模型剪力分布及分析

三種不同抗滑樁樁身剪力布設見圖7～圖9，最大剪力均位于滑面處，雙排抗滑樁與單排樁相比滑面處最大剪力明顯較少，樁頂加系梁抗滑樁最大彎矩與無系梁相比變化不大，但是樁頂剪力有所增大，樁底剪力大幅減小，并且前、后排樁受力均勻，分布較協(xié)調(diào)，剪力對比見表5。

表5 抗滑樁剪力對比

圖7 單排抗滑樁剪力

圖8 雙排樁頂無系梁抗 滑樁剪力

圖9 雙排樁頂有系梁抗 滑樁剪力

3.3 三種模型位移分析

單排樁樁頂位移明顯大于雙排樁樁頂位移量，但是雙排加系梁抗滑樁由于樁頂系梁的設置，整體剛度增大，整體性較雙排不加系梁更好，位移量最小且前后排樁樁頂位移趨于一直，變形更協(xié)調(diào)，樁頂位移見表6。

表6 抗滑樁位移對比

3.4 雙排樁其他優(yōu)點比較

雙排抗滑樁由于彎矩較單排樁大幅減少，雖然混凝土方量每延米增加0.97 m3，但是彎矩可減少近5 000 kN·m，同等地質(zhì)鉆孔條件下，可大幅減少造價，更經(jīng)濟合理。

由于前后排樁彎矩、剪力相差不大，便于工程設計時采用同樣類型的樁基配筋，避免增加不必要的工序。而由于坡體下滑力較大，單排抗滑樁經(jīng)常需配置雙層鋼筋才能滿足抗拉要求，且單排樁須采用大噸位旋挖鉆機，煤系地層邊坡易塌孔，對場地范圍要求較高。

4 結(jié)語

（1）三種形式抗滑樁均能治理滑坡體，但是雙排抗滑樁抵抗力大、樁頂位移小而均勻，較單根大直徑抗滑樁和雙排無系梁抗滑樁節(jié)相比具有造價低、便于施工等優(yōu)點。（2）傳統(tǒng)計算方法m、k 法中地基系數(shù)的取值對抗滑樁內(nèi)力位移計算影響較大，因粵北地區(qū)構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)條件發(fā)雜，常見巖性互層現(xiàn)象，對地基系數(shù)的選擇靠經(jīng)驗值選擇較多，而GEO5 有限元模塊僅對彈性模量和泊松比取值要求，對邊界條件荷載條件、地層條件處理較簡單，事實證明采用該軟件進行抗滑樁的內(nèi)力、位移計算是可行的。（3）綜合考慮雙排樁頂加系梁抗滑樁的內(nèi)力、位移變形特點以及經(jīng)濟、施工因素，在大中型復雜煤系地層邊坡中建議采用雙排樁頂加系梁的抗滑樁形式。