雙排樁治理邊坡的數(shù)值模擬研究

常 強

(山西澤城西安水電有限公司，太原 032600)

0 前 言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷加劇，越來越多的工程采用雙排樁進行支護，對此學(xué)者們也進行了研究，張昌太等結(jié)合一實際基坑工程，提出遇到硬巖后可適當(dāng)將微型樁向下接長的方式，以此提高工程的安全性，達到控制變形的目的[1]。楊仲洪等利用Plaxis 3D對淤泥質(zhì)軟土條件下的雙排樁工程進行了研究，研究結(jié)果表明：增大樁長可控制基坑的形變。張松波等結(jié)合武漢一基坑工程，提出了無支撐雙排樁的設(shè)計理念，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對雙排樁的支護效果進行了評價，研究結(jié)果表明：施工過程中旋挖鉆機施工角度采用15°傾角，更利于雙排樁的施工[2-3]。王宏明等以高填方邊坡為例，對雙排樁加固治理效果進行了研究，研究結(jié)果表明：增加冠梁和鋼架梁的面積，可達到提高支護措施安全系數(shù)的目的[4]。譚恒結(jié)合雙排樁工程，提出了樁錨相結(jié)合的支護形式，并對此支護形式進行了計算，計算結(jié)果表明：樁錨支護形式能夠更好的起到支護的效果[5]。黎子榮認(rèn)為比較于懸臂支護結(jié)構(gòu)，雙排樁結(jié)構(gòu)具有更好的剛性和抗彎性能，并通過實際工程案例闡述了雙排樁的計算模型及其優(yōu)點[6]。歐孝奪等以南寧某深基坑為研究對象，利用數(shù)值模擬對雙排樁的支護效果進行了研究，研究結(jié)果表明：基坑的深度對雙排樁的支護效果有較大的影響[7]。鄭剛等以某基坑工程為例，對雙排樁抗傾覆效果進行了研究，研究結(jié)果表明：傾覆區(qū)主要發(fā)生在超挖區(qū)域，冠梁并不能阻止基坑的傾覆[8]。吳越等對拱形雙排樁的支護形式進行了研究，并結(jié)合土拱效應(yīng)對雙排樁的支護效果進行了評價，研究結(jié)果表明：雙排樁結(jié)構(gòu)能夠有效的減小樁頂水平位移[9]。徐量以泵閘工程為例，對雙排樁的設(shè)計方案進行了研究，研究結(jié)果表明：雙排樁在水利工程中的支護效果較單排樁佳[10]。

以上的研究多關(guān)注雙排樁的設(shè)計方案，沒有對雙排樁支護邊坡的效果進行評價，對此文章采用雙排樁支護結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬對雙排樁的支護效果進行研究。

1 工程概況

該邊坡位于山西省內(nèi)，該邊坡坡腳處在長期降雨的作用下出現(xiàn)了裂縫，結(jié)合剩余下滑力的計算可知，單樁不能抵抗邊坡推力的作用，經(jīng)設(shè)計人員計算采用雙排樁進行支護，文章暫不考慮土拱效應(yīng)。

邊坡的巖土體如圖1所示，經(jīng)過地勘察可知，邊坡主要由風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖組成，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 邊坡的巖土體示意

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

數(shù)值模擬的建立如圖2所示，為保證計算的有效性，將風(fēng)化土和風(fēng)化巖按照1m進行網(wǎng)格劃分，硬巖區(qū)域結(jié)合模擬經(jīng)驗按照2.5m進行網(wǎng)格劃分，同時網(wǎng)格之間相互進行耦合，在坡腳處設(shè)置雙排樁，為方便對雙排樁進行研究，將前排樁命名為1號樁，后排樁命名為2號樁.。

圖2 數(shù)值模擬支護實體圖

2.2 模擬的結(jié)果

2.2.1 位移分析

數(shù)值模擬計算至平衡時停止，邊坡的水平位移和總體位移如圖3和圖4所示。

如圖3所示，邊坡水平位移主要集中于風(fēng)化土區(qū)域，最大的水平位移數(shù)值為7.6mm，所占巖土體約2.4%，75%的巖土體水平位移不超過5mm，邊坡超過50%的巖土體位移約為3.4mm，以上位移均不超過10mm，滿足邊坡工程的要求，因此可認(rèn)為雙排樁支護在水平位移方面是滿足工程要求的。

圖3 支護后邊坡的水平位移(單位：m)

圖4 支護后邊坡的總體位移(單位：m)

如圖4所示，邊坡總體位移主要集中于風(fēng)化土區(qū)域，最大的總體位移數(shù)值為8.4mm，所占巖土體約2.1%，72%的巖土體總體位移不超過6mm，邊坡超過52%的巖土體總體位移約為4.6mm，以上總體位移均不超過10mm，滿足邊坡工程的要求，因此可認(rèn)為雙排樁支護在總體位移方面是滿足工程要求的。

2.2.2 受力分析

雙排樁所受的彎矩如圖5和圖6所示。

圖5 Y軸彎矩值(單位：kN·m)

由圖5可知，Y軸的彎矩最大處位于1號樁距樁頂1/5處，此處彎矩的最大值為3.1e5 kN·m，超過2.0e5 kN·m彎矩值的區(qū)域約占整個雙排樁的5%，結(jié)合雙排樁所能承受的最大彎矩值2.5e6kN·m可知，1號樁所受的彎矩遠小于雙排樁所能承受的極限彎矩，可確定雙排樁Y軸彎矩值是滿足工程要求的。雙排樁超過75%的彎矩值約為5.2 e4 kN·m，多分布于1號樁下側(cè)和2號樁整個區(qū)域，說明雙排樁的受力是均勻的。

圖6 總體彎矩值(單位：kN·m)

由圖6可知，總體彎矩最大處位于1號樁距樁頂1/6處，此處總體彎矩的最大值為3.4e5 kN·m，超過2.2e5 kN·m彎矩值的區(qū)域約占整個雙排樁的6%，結(jié)合雙排樁所能承受的最大彎矩值2.5 e6 kN·m可知，1號樁所受的總體彎矩遠小于雙排樁所能承受的極限彎矩，可確定雙排樁總體彎矩值是滿足工程要求的。雙排樁超過77%的彎矩值約為5.6 e4 kN·m，多分布于1號樁下側(cè)和2號樁整個區(qū)域，說明雙排樁的受力是均勻的。

2.2.3 塑性區(qū)和安全性分析

邊坡的塑性區(qū)和剪應(yīng)力區(qū)如圖7-圖9所示。

圖7 支護完成后邊坡的塑性區(qū)

由圖7可知，邊坡的塑性區(qū)主要在風(fēng)化土區(qū)域，且并沒有貫通，說明支護后邊坡風(fēng)化土區(qū)域并未形成封閉的塑性區(qū)，可認(rèn)為雙排樁的施加，致使邊坡不會發(fā)生進一步滑動，邊坡的穩(wěn)定性得到了保證。

圖8 支護完成后邊坡的剪應(yīng)力區(qū)

對邊坡進行拆減系數(shù)的分析，如圖8所示，邊坡的滑動面并沒有貫通，安全系數(shù)為1.40，此安全系數(shù)剛好滿足工程要求。另一方面滑動面底端穿過雙排樁頂部，一定程度上說明雙排樁的設(shè)置位置可適當(dāng)往上調(diào)整，以保證雙排樁更好的發(fā)揮阻滑作用。

圖9 邊坡的潛在滑動面

利用MIDAS GTS進一步搜索滑動面可知，貫通后的滑動面影響主要位于風(fēng)化土區(qū)域，與邊坡的塑性區(qū)域相對應(yīng)，坡腳處剪應(yīng)力較集中，說明坡腳處是防護的重點，再結(jié)合數(shù)值模擬雙排樁的位置，提出適當(dāng)調(diào)整雙排樁位置的建議。

3 結(jié) 論

通過計算邊坡的剩余下滑力可知，單樁是無法滿足邊坡穩(wěn)定性的要求，因此采用雙排樁對邊坡進行加固，并通過數(shù)值模擬對邊坡加固的效果進行評價，數(shù)值模擬的結(jié)果表明：

1)邊坡的水平位移和總體位移位置較為接近，主要集中于風(fēng)化土區(qū)域，說明風(fēng)化土區(qū)域是邊坡防治的重點，水平位移和總體位移數(shù)值均不超過10mm，滿足邊坡的位移要求，從位移的角度出發(fā)，可認(rèn)為雙排樁的施加是滿足工程防護的要求。

2)雙排樁從彎矩的角度上分析，Y軸所受的彎矩和總體所受的彎矩，主要集中于1號樁上部，雙排樁其他區(qū)域的彎矩較為均勻，一定程度上說明雙排樁并沒有發(fā)揮完全抗彎功能，可進一步調(diào)整雙排樁位置，以發(fā)揮雙排樁的抗彎功能。

3)支護后的邊坡從塑性區(qū)和剪應(yīng)力區(qū)域分析可知，塑性區(qū)和剪應(yīng)力區(qū)主要集中于風(fēng)化土區(qū)域，兩者影響范圍較為對應(yīng)，安全性系數(shù)為1.40，從支護的角度上分析，雙排樁確實是起到了支護的目的。

4)進一步搜索邊坡的滑動面可知，滑動面底部僅接觸到雙排樁，說明雙排樁的位置可以適當(dāng)往坡體方向調(diào)整，以便更好的發(fā)揮雙排樁的阻滑功能，并提高邊坡的安全系數(shù)。