水庫邊坡抗滑樁內(nèi)力分布規(guī)律影響因素分析

李小平

(婺源縣水利局,江西 婺源 333200)

0 前 言

滑坡災(zāi)害是全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害，由于其規(guī)模大、分布廣泛和危害性大的特點，易造成較大的社會影響。通常，滑坡常見的防治措施包括截排水溝、抗滑樁、格構(gòu)錨索以及擋墻等。其中抗滑樁由于施工簡單，治理效果優(yōu)越而被廣泛使用。國內(nèi)外許多學(xué)者針對抗滑樁的受力性能及治理效果展開了深入研究。鄧友生等[1]基于室內(nèi)3組物理模型試驗研究了拱形抗滑結(jié)構(gòu)的受力性能，結(jié)果表明，拱形抗滑結(jié)構(gòu)對樁頂水平位移有較好的約束作用，同時還可改善樁身受力狀態(tài)。黃良譽等[2]基于物理模型試驗研究了埋入式抗滑樁錨拉植筋帶固坡效果，結(jié)果表明，埋入式抗滑樁聯(lián)合植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固邊坡的效果最佳。羅爽等[3]基于Winkle彈性地基梁模型，推導(dǎo)了浸泡蠕變對懸臂抗滑樁受荷劣化特性，結(jié)果表明，受庫水長期浸泡作用的土質(zhì)滑坡在采用抗滑支擋結(jié)構(gòu)處理時應(yīng)考慮庫水浸泡導(dǎo)致的滑坡體蠕變作用。任海民和馮偉劍[4]采用理論推導(dǎo)，提出了復(fù)合單元抗滑樁模型，模型可有效模擬抗滑樁的力學(xué)性能。任翔等[5]采用有限元模型研究了抗滑樁嵌固段樁前被動土拱形成機理，結(jié)果表明，樁間距為樁寬的2.5～4.5倍時出現(xiàn)被動土拱，3～4倍時土拱效應(yīng)最明顯，樁前被動土拱增加了相鄰抗滑樁間相互作用范圍。鄧濤等[6]基于堆載試驗研究了深厚軟土中抗滑樁的修正懸臂樁計算方法，結(jié)果表明，提出的修正方法可以合理計算抗滑樁的內(nèi)力及樁頂位移。董建華等[7]基于達(dá)朗貝爾原理，推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁動力計算模型，結(jié)果表明，樁身分布的剪力和彎矩呈“上下小、中間大”，彎矩最大值出現(xiàn)在滑面附近，剪力最大值在滑面位置。解瑞松等[8]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模擬研究了抗滑樁對邊坡橋梁樁基受力變形的影響，結(jié)果表明，當(dāng)橋梁樁基在坡體中上部時，易導(dǎo)致橋梁樁基前部土體形成牽引式滑坡。蘇培東等[9]基于物理模型試驗研究了不同截面抗滑樁的土拱效應(yīng)，結(jié)果表明，梯形截面樁對土拱效應(yīng)的形成與發(fā)展更有利，對邊坡的加固效果最優(yōu)。王立超和曹雪嬌[10]基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了抗滑樁加固邊坡效果，結(jié)果表明，抗滑樁布置于邊坡中間時比布置于坡頂和坡腳對提升邊坡的穩(wěn)定性更明顯。

本文采用數(shù)值模擬方法，以水庫邊坡工程為例，考慮抗滑樁樁前土體抗力，分析抗滑樁內(nèi)力分布特征，為類似工程提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

1.1 工程概況

研究區(qū)位于江西某水庫右岸邊坡。邊坡最大開挖深度為46 m，邊坡分五級開挖，每級開挖坡比均為1∶1。開挖過程中坡體出現(xiàn)裂縫，最大裂縫約10 cm，最大延伸長度為3 m。邊坡的典型斷面如圖1所示。

圖1 邊坡典型剖面

根據(jù)鉆孔資料，邊坡土層由上至下分別為：

(1)碎石土

顏色呈褐色，稍密-中密狀態(tài)，主要成分為灰?guī)r。

(2)強風(fēng)化灰?guī)r

巖體破碎，裂隙發(fā)育，局部成碎石夾碎塊狀。

(3)玄武巖

顏色呈灰綠色，風(fēng)化強烈。

1.2 數(shù)值模型

ABAQUS是一款通用型商業(yè)軟件，軟件內(nèi)嵌了豐富的材料本構(gòu)模型，可高效的模擬各種非線性問題。本文采用ABAQUS進(jìn)行建模與分析，根據(jù)典型地質(zhì)剖面建立計算模型如圖2所示。巖土體及樁的材料力學(xué)參數(shù)見表1所示，其中土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)進(jìn)行計算，抗滑樁采用各向同性完全彈性本構(gòu)進(jìn)行計算。模型尺寸分別為40 m×28 m×20 m(長×寬×高)，坡度為45°，抗滑樁截面尺寸為2.5 m×2.5 m，樁心距為6 m，樁長為14 m。

圖2 數(shù)值模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)建議值

模型邊界條件為：底部為全固定約束；左右前后邊界為約束水平方向位移；頂部為自由邊界。樁身與土體采用嵌入接觸模擬。實體單元采用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分與計算[11]。

2 計算結(jié)果分析

2.1 抗滑樁剪力與彎矩

圖3匯總得到抗滑樁剪力隨樁長變化規(guī)律。結(jié)果表明，考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力的樁身剪力分布形態(tài)基本一致。在滑面以上剪力隨樁長增大而增大，但滑面以下剪力隨樁長增大而顯著改變。樁底附近處剪力達(dá)到最小值。剪力最大值在11.7 m位置處，最大值為5 400 kN。但考慮樁前土體抗力時，剪力最大值為4 300 kN。

圖3 抗滑樁剪力隨樁長變化

圖4匯總得到抗滑樁彎矩隨樁長變化規(guī)律。結(jié)果表明，考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力的樁身彎矩分布形態(tài)基本一致。彎矩隨抗滑樁的增大而先增大后減小，在樁底處彎矩降低至0。這也證明，樁體始終處于受拉狀態(tài)。此外，考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力兩種情況下，抗滑樁彎矩峰值在8.0 m位置處，分別為24 365 kN·m和21 100 kN·m。

圖4 抗滑樁彎矩隨樁長變化

根據(jù)以上分析可知，考慮考慮樁前土體抗力時，抗滑樁的內(nèi)力值比不考慮樁前土體抗力要小。因此在實際工程中，適當(dāng)考慮樁前土體抗力可以節(jié)約材料。

2.2 抗滑樁橫向位移

圖5匯總得到樁前土體抗力對抗滑樁橫向位移的影響。結(jié)果表明，樁前土體被挖除后，樁的橫向位移迅速變大，尤其是樁頂部位。此外，樁的位移隨樁長的增大而減小，樁底位置處，樁身位移基本為0。

圖5 樁前土體抗力對抗滑樁橫向位移的影響

根據(jù)圖5(a)和圖5(b)的對比分析可知，在考慮和不考慮樁土體抗力作用下，樁頂位移分別為6 mm和0.06 mm。由此可見，是否考慮樁前土體抗力對抗滑樁的內(nèi)力和位移有較大的影響，工程應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行修正。

2.3 樁前土體抗力影響因素

既有研究表明[12]，其他條件相同時，樁前土體坡度大，坡體穩(wěn)定性差；坡度相同時，樁前土強度大，其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)好。為了進(jìn)一步分析樁前土體坡度對樁前土體抗力的影響。本文計算了土體坡度分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°和90°時，土體不同抗剪強度下，樁的抗力和土體抗力隨樁長的變化規(guī)律，匯總得到樁提供抗力隨樁深變化(見圖6)和土體抗力隨樁深變化(見圖7)。結(jié)果表明，樁提供的抗力隨樁長度的增大而增大；同一深度下，樁前土體的坡度越大，抗力越大。此外，當(dāng)土體深度小于4 m時，抗力與深度呈拋物線規(guī)律分布；當(dāng)樁深大于4 m時，抗力與樁深呈線性增長分布規(guī)律。

圖6 樁抗力與樁深變化曲線

圖7表明，土體抗力隨樁長的增大而呈拋物線增大，與樁提供的抗力相比，當(dāng)樁深較大時，土體抗力隨著樁深增加的范圍較小。

圖7 土體抗力與樁深變化曲線

圖8～11匯總得到了不同工況下，樁前水平抗力平均值與最大值以及與其相對應(yīng)的水平抗力平均值與最大值發(fā)揮情況。結(jié)果表明，土體強度參數(shù)保持不變的條件下，樁前土體抗力隨坡度的增大而減小。此外，當(dāng)坡度大于40°時，水平抗力發(fā)揮的水平處于較低范圍內(nèi)。綜合以上分析表明，當(dāng)樁前土體的坡度大于40°時，可忽略樁前土體抗力的阻滑作用；當(dāng)樁前土體的坡度小于40°時。應(yīng)充分考慮樁前土體抗力的有利影響。適當(dāng)節(jié)約工程造價。

圖8 樁前水平抗力平均值

圖9 樁前水平抗力平均發(fā)揮值

圖10 樁前水平抗力極大值

圖11 樁前水平抗力極大發(fā)揮值

3 結(jié) 論

本文采用ABAQUS數(shù)值有限元手段研究了不同工況下抗滑樁的加固效果，詳細(xì)分析了考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力兩種工況下對抗滑樁內(nèi)力分布的影響，形成結(jié)論如下：

(1)考慮樁前土體抗力時，樁頂位移比不考慮樁前土體抗力顯著減小，而彎矩和剪力最大值明顯增大。

(2)保持樁前土體強度參數(shù)不變的情況下，樁頂位移隨坡度增大而增大；保持土體坡度不變，樁前土體抗力隨隨土體強度增大而增大；

(3)當(dāng)樁前土體超過40°時，實際抗滑樁的設(shè)計與計算中可不考慮土體抗力，當(dāng)樁前土體坡度小于40°時，土體抗力明顯，可對抗滑樁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。