圓形截面抗滑樁配筋方式優(yōu)選

陳濤 李堅(jiān) 楊龍偉 江強(qiáng)強(qiáng)

摘要：

圓形截面抗滑樁作為抗滑樁的一種形式，采用機(jī)械成孔，不僅能夠縮短工期，而且能夠有效避免人工挖孔所存在的風(fēng)險(xiǎn)?；贏BAQUS有限元軟件對3種配筋形式（沿樁周均勻配筋、沿樁周非均勻配筋和配置矩形鋼筋籠）的抗滑樁支護(hù)滑坡在靜力荷載作用下的位移、鋼筋受力特點(diǎn)等進(jìn)行定量分析研究。研究結(jié)果表明：① 相同荷載作用下，圓形非均勻配筋抗滑樁與矩形鋼筋籠抗滑樁支護(hù)效果相對較好；② 選用圓形非均勻配筋形式和矩形鋼筋籠形式能夠較大程度發(fā)揮鋼筋作用。③ 當(dāng)配筋量不大時(shí)，在可以準(zhǔn)確定位情況下選用圓形非均勻配筋形式，可在滿足承載力要求的同時(shí)節(jié)約鋼筋量，但在滑坡推力較大，配筋量較大時(shí)，用矩形鋼筋籠形式更有利于鋼筋的布置。

關(guān)鍵詞：

抗滑樁； 滑坡； 均勻配筋； 非均勻配筋； 矩形鋼筋籠

中圖法分類號：V213.1+52.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.012

文章編號：1006-0081（2023）05-0073-06

0 引 言

中國地域廣闊，滑坡災(zāi)害在西南、西北等地區(qū)均有分布［1］，對人的生命財(cái)產(chǎn)造成威脅［2］，因此，應(yīng)加大對滑坡治理工程的投入和研究，以更好地規(guī)避和應(yīng)對滑坡災(zāi)害。

抗滑樁具有施工安全、樁位靈活、抗滑能力強(qiáng)、對滑體土塊擾動小等優(yōu)勢，對滑坡災(zāi)害的治理效果顯著［3］。目前，對抗滑樁的研究主要采用理論分析和數(shù)值模擬等手段。Ito等［4］從樁間距、截面形狀、樁身材料屬性以及坡率等方面分析樁身受力特點(diǎn)，為抗滑樁支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。章為民等［5］在塑性理論的基礎(chǔ)上，通過改變抗滑樁的形狀來研究樁土之間的相互作用機(jī)理，為實(shí)際工程中抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。陳富堅(jiān)等［6］考慮非均布配筋可大大降低大截面抗滑樁配筋量，從受力特點(diǎn)、計(jì)算簡便性以及布筋要求等方面，對抗滑樁和其他定向受力樁作了定性對比分析，推導(dǎo)了圓形與環(huán)形截面抗滑樁120°夾角非均布配筋計(jì)算公式，進(jìn)行了算例對比分析和經(jīng)濟(jì)配筋定量計(jì)算探討。Duncan［7］進(jìn)行多因素對比分析，研究了數(shù)值模擬計(jì)算與傳統(tǒng)方法計(jì)算的優(yōu)缺點(diǎn)。Cai等［8］通過有限元數(shù)值模擬得出樁間距、材料及設(shè)樁位置等因素對支護(hù)效果的影響。Zhang等［9］為了研究樁的承載特性，進(jìn)行了模型測試，并使用ABAQUS軟件對組合荷載作用下具有不同傾角的單樁進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果可為斜坡地基中的樁或抗滑樁設(shè)計(jì)提供參考。

現(xiàn)階段，滑坡治理方式主要采用抗滑樁技術(shù)，在抗滑樁施工中，圓形截面抗滑樁采用機(jī)械成孔［10-11］，不僅能夠縮短工期，且能有效地避免人工挖孔所存在的危險(xiǎn)［12］。目前，圓形截面抗滑樁的配筋方式主要有3種，分別為沿圓周均勻配筋的圓形均勻配筋抗滑樁、沿圓周非均勻配筋的圓形非均勻配筋抗滑樁和配置矩形鋼筋籠的矩形鋼筋籠抗滑樁。本文主要通過數(shù)值模擬研究3種配筋方式圓形截面抗滑樁對滑坡支護(hù)效果的影響，闡明合理的配筋方式，為圓形截面抗滑樁支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 不同配筋形式縱筋分布形式及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 分布形式

（1） 沿樁周均勻布置縱向受力鋼筋（圖1）。

式中： x為受壓區(qū)高度；K為附加安全系數(shù)，取值為1.3；R? W 為混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；R g為鋼筋受拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度；r 0取值可查規(guī)范附錄四［13］；a 0為矩形鋼筋籠邊長；b為 長邊長度。

1.2 不同配筋方式優(yōu)缺點(diǎn)

（1） 采用沿圓周均勻配筋方式，樁身鋼筋籠施工簡便、樁身各個(gè)方向均可受力，但靠近抗滑樁中和軸位置鋼筋不能充分發(fā)揮作用，造成鋼筋的浪費(fèi)。

（2） 采用沿圓周非均勻配筋方式，總配筋量相對較小，且抗滑樁側(cè)向受力明確，會存在明顯的拉壓分區(qū)，在受拉區(qū)和受壓區(qū)均勻配筋的方式更符合結(jié)構(gòu)受力［14］及節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)［15］，但是樁身鋼筋籠施工要求較高，動力荷載條件下樁身受力特點(diǎn)不明確，難以確定拉壓分區(qū)時(shí)不宜采用。

（3） 采用矩形鋼筋籠形式具有受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋清晰明確、可根據(jù)需要在受拉受壓區(qū)差異性布筋等優(yōu)點(diǎn)，但是目前工程中，圓形截面抗滑樁采用矩形鋼筋籠的案例較少，具體效果尚不明確。

2 不同配筋形式抗滑樁模型

2.1 工程背景

邊坡區(qū)地處陜西省延安市富縣，年平均氣溫約為8～9 ℃，年平均降雨約為500～600 mm。邊坡位于化工廠的污水零排放裝置場地北側(cè)，支護(hù)前上部為自然邊坡，植被以雜草、灌木和喬木為主；中下部經(jīng)人工取土后形成多級平臺狀人工邊坡，無植被覆蓋，邊坡西側(cè)下部一級平臺高12 m，二級平臺高14 m，坡比1∶0.93，平臺寬5 m，二級平臺處有潛在滑動的跡象，在暴雨情況下可能會發(fā)生滑動。

根據(jù)工程地質(zhì)測繪調(diào)查及勘探揭露，上部主要為黃土，下部地層為泥巖和砂巖，邊坡區(qū)工程剖面圖如圖4所示。所有鉆孔均未遇見地下水。

經(jīng)計(jì)算，邊坡最大剩余下滑推力為1 277.73 kN/m，抗滑樁樁身所承受最大彎矩12 644.32 kN·m，最大剪力為-3 313.32 kN。由式（1）～（11）可計(jì)算出3種配筋形式的配筋量分別為51 727，44 465.2 mm2和49 522 mm2。

2.2 數(shù)值模型

邊坡中下部黃土層因連續(xù)降雨有局部滑動跡象，工程設(shè)計(jì)樁位在一級平臺處，概化后的模型剖面如圖5所示，截取截面厚度12 m，在坡頂分級施加荷載進(jìn)行建模計(jì)算。

邊坡土層和巖層本構(gòu)模型選用的是Mohr-Coulomb模型，鋼筋混凝土樁作為受力破壞的主要構(gòu)件，模擬結(jié)束后需要分析其樁身混凝土損傷情況、剛度退化以及樁的內(nèi)力分布特征和破壞點(diǎn)位置等?；炷翑?shù)值模擬分析選用CDP模型，鋼筋選用塑性本構(gòu)模型。

2.3 模型材料參數(shù)

邊坡坡體材料參數(shù)由勘察資料確定，樁身混凝土材料以及樁內(nèi)鋼筋的材料屬性依據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的參數(shù)取值，混凝土受壓行為、壓縮損傷、受拉行為及拉伸損傷等各項(xiàng)參數(shù)以及鋼筋塑性參數(shù)均基于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算得出。具體參數(shù)如表1～4所示。

2.4 模型網(wǎng)格劃分及各部件

模型土體、巖體及混凝土抗滑樁采用C3D8R單元類型，鋼筋采用T3D2單元類型，網(wǎng)格劃分時(shí)對重點(diǎn)分析部位（如抗滑樁等）進(jìn)行適當(dāng)加密。各部件模型示意如圖6所示。

2.5 相互作用及接觸設(shè)定

在有限元模擬計(jì)算過程中，由于每個(gè)部件相互之間的接觸面上都存在介質(zhì)不連續(xù)，因此各個(gè)部件之間的接觸設(shè)定尤為重要，不僅關(guān)系到是否能夠正確反映不連續(xù)部位的變形、受力以及荷載傳遞特征，還對模型的計(jì)算收斂起著關(guān)鍵作用。接觸關(guān)系及參數(shù)設(shè)定如表5所示。

2.6 分析步設(shè)置

本次數(shù)值模型建模時(shí)設(shè)置兩個(gè)分析步：① 分析步為Geo分析步，分析步類型選擇地應(yīng)力，用于計(jì)算模型初始地應(yīng)力平衡；② 分析步為Load分析步，分析步類型選擇靜力、通用，用于給計(jì)算模型坡頂施加荷載（如圖7所示），且Load分析步選擇的加載方式為利用時(shí)間幅值函數(shù)分級施加荷載，每級施加4 kPa荷載。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 樁身塑性應(yīng)變分析

樁身混凝土首次出現(xiàn)受拉損傷破壞時(shí)的云圖如圖8所示。

ABAQUS數(shù)值模擬軟件中，CDP模型的后處理模塊中的混凝土單元受拉或受壓損傷達(dá)到0.864 3及以上時(shí)，即可視為該混凝土單元發(fā)生破壞，這也是混凝土裂紋出現(xiàn)或擴(kuò)展的位置。圖8（a）為沿樁周均勻配筋抗滑樁，施加總荷載達(dá)到108 kPa時(shí)混凝土樁開始出現(xiàn)受拉損傷破壞；圖8（b）為沿樁周非均勻配筋抗滑樁，施加總荷載達(dá)到144 kPa時(shí)混凝土樁開始出現(xiàn)受拉損傷破壞；圖8（c）為矩形筋鋼筋籠樁，施加總荷載達(dá)到120 kPa時(shí)混凝土樁開始出現(xiàn)受拉損傷破壞。

3.2 位移分析

由圖9（a）樁頂水平位移圖可知，矩形鋼筋籠抗滑樁的樁頂位移量相對最??；由圖9（b）坡腳水平位移曲線可知，采用矩形鋼筋籠抗滑樁和圓形非均勻配筋抗滑樁支護(hù)形式坡腳水平位移相對較??；對比圖10（a）、（b）和（c）可知，相同荷載條件下，矩形鋼筋籠抗滑樁和圓形非均勻配筋抗滑樁的樁身位移量相對較小。

3.3 三種配筋形式鋼筋受力特點(diǎn)分析

由配筋計(jì)算可知，相同滑坡推力作用下，圓形非均勻配筋形式配筋量相對最小。由滑坡推力特點(diǎn)可知，抗滑樁側(cè)向受力明確，會存在明顯的拉壓分區(qū)，考慮加大受拉和受壓區(qū)配筋量，減少中性軸附近的配筋量，更符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)；圓形非均勻配筋形式和矩形鋼筋籠形式能夠滿足這一要求，但施工難度相對較大。在受力特點(diǎn)不明確、難以確定拉壓分區(qū)時(shí)不宜采用圓形非均勻配筋形式；而矩形鋼筋籠形式可以根據(jù)需要在受拉受壓區(qū)差異性布筋，目前工程中圓形截面抗滑樁采用矩形鋼筋籠的案例較少，具體效果有待驗(yàn)證。

由圖11鋼筋籠應(yīng)力云圖可以看出，中性軸附近鋼筋所受應(yīng)力相對于受拉和受壓側(cè)鋼筋很小。通過數(shù)值模擬結(jié)果可知：采用圓形非均勻配筋和矩形鋼筋籠形式，可以較大程度發(fā)揮鋼筋的作用。

4 結(jié) 論

基于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件在靜力荷載下分別對3種配筋形式的圓形截面抗滑樁與滑坡相互作用及鋼筋籠受力特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬和研究，得出以下結(jié)論。

（1） 加載過程中，3種配筋形式抗滑樁的樁頂、樁身以及坡腳的水平位移曲線規(guī)律基本一致，且矩形鋼筋籠抗滑樁支護(hù)模型的樁頂和坡腳的水平位移量最小，圓形非均勻配筋抗滑樁支護(hù)模型次之。

（2） 對于相同滑坡推力作用下，選用圓形非均勻配筋形式配筋量相對最??；選用圓形非均勻配筋形式和矩形鋼筋籠形式能夠較大程度發(fā)揮鋼筋作用。

（3） 在靜力荷載下，從位移特征和施工的便利性等方面綜合考慮，當(dāng)配筋量不大時(shí)，可在準(zhǔn)確定位情況下用圓形非均勻配筋；但在滑坡推力較大，需要配置多排鋼筋時(shí)，用矩形鋼筋籠形式更有利于鋼筋的布置。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 范付松.堆積層滑坡抗滑樁土拱效應(yīng)數(shù)值研究［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2012.

［2］ 馮杭建.浙西淳安降雨型滑坡發(fā)育規(guī)律及危險(xiǎn)性評價(jià)研究［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2016.

［3］ 劉曉燕.考慮樁前土體抗力的抗滑樁內(nèi)力計(jì)算方法研究及工程應(yīng)用［D］.西安：長安大學(xué)，2017.

［4］ ITO T，MATSUI T，HONG W P.Design method for the stability analysis of the slope with landing pier［J］.Soils and foundations，1979，19（4）：43-57.

［5］ 章為民，顧行文.不同形狀抗滑樁的樁土作用與阻力系數(shù)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，39（增2）：3526-3537.

［6］ 陳富堅(jiān)，劉均利，景天虎.圓形和環(huán)形截面抗滑樁的非均布配筋計(jì)算方法［J］.公路交通科技，2006（9）：32-35.

［7］ DUNCAN J M.State of theart：Limit Equilibrium and Finite-Element Analysis of slopes［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1996，123（7）：577-596.

［8］ CAI F，UGAI K.Numerical analysis of the stability of a slope reinforced with piles.［J］.Soils and Foundations，2000，40（1）：73-84.

［9］ ZHANG J，WANG X，WANG H，et al.Model test and numerical simulation of single pile response under combined loading in slope［J］.Applied Sciences，2020，10（17）：6140.

［10］ 王小偉，李建華.分析滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程中抗滑樁的運(yùn)用［J］.中國金屬通報(bào)，2020（3）：16-17.

［11］ 張碩.抗滑樁截面及結(jié)構(gòu)形式對樁土相互作用效應(yīng)影響研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2018.

［12］ 李賢，徐則民.圓形截面抗滑樁受力分析及實(shí)驗(yàn)研究［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2018，14（2）：115-117.

［13］ 中華人民共和國建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國建筑工業(yè)版社，2002.

［14］ 陳富堅(jiān)，姜宏，韋韜，等.圓截面抗滑樁非均布配筋計(jì)算方法［J］.桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21（4）：366-370.

［15］ 曾銀金.圓截面支護(hù)樁不均勻配筋計(jì)算方法［J］.水利科技，2014（2）：54-56.

（編輯：李 慧）

Abstract：

As a way of anti-slide pile，circular cross-section anti-slide pile adopts mechanical hole forming can shorten the construction period and effectively avoid the risks of manual hole digging.Based on ABAQUS finite element software，the quantitative analysis and research were carried out on the displacement and stress characteristics of reinforcement under static load of landslide supported by anti-slide piles with three reinforcement forms （uniform reinforcement along the pile circumference，non-uniform reinforcement along the pile circumference and rectangular reinforcement cage）.The research results showed that：① Under the same load，the supporting effect of rectangular reinforcement cage anti-slide pile and circular non-uniform reinforcement anti-slide pile was relatively good；② The circular non-uniform reinforcement form and rectangular reinforcement cage form can play a greater role in reinforcement.③ When the amount of reinforcement was small，the circular non-uniform reinforcement form can be selected under the condition of accurate positioning，which met the requirements of bearing capacity and cansave the amount of reinforcement.However，when the landslide thrust and the amount of reinforcement were large，the rectangular reinforcement cage form was more conducive to the arrangement of reinforcement.

Key words：

anti slide pile； landslide； uniform reinforcement； non-uniform reinforcement； rectangular reinforcement cage