不同放置方式的h型抗滑樁數(shù)值模擬研究

馬松松

（淄博市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，因此涌現(xiàn)了大量的大推力滑坡治理工程。對(duì)這類滑坡治理工程來說，普通抗滑單樁自身剛度不足、抗滑能力差、治理效果不明顯，因此不能用于這類滑坡的治理工作[1]。然而，由于h 型抗滑樁其具有自身剛度大、抵抗滑坡推力的能力強(qiáng)、治理滑坡效果顯著等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于大推力滑坡治理工程中[2-3]。基于此，該文結(jié)合大推力滑坡治理工程，利用有限元軟件MIDAS GTS，建立不同放置方式的h 型抗滑樁支護(hù)模型，分析各自的滑坡治理效果，對(duì)兩種放置方式的h 型抗滑樁進(jìn)行內(nèi)力分析，得出兩者中較優(yōu)的放置h型抗滑樁的方式，為類似布樁位置受限的大推力滑坡治理工程提供參考。

1 工程概況

滑坡體周圍植被發(fā)育一般，主要為小松林和灌木，滑坡由風(fēng)化土、風(fēng)化巖以及基巖組成。其中，風(fēng)化土為黃褐色，稍濕，硬塑狀-堅(jiān)硬狀，成分不均勻，含較多的碎石，分布于滑坡的表層，厚度為5 m～17 m，層厚差異大；風(fēng)化巖淺灰色、灰黑色，頁理結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，巖體破碎；基巖為灰黑色，薄層理狀構(gòu)造，巖體較破碎，巖芯呈短柱狀、碎塊狀全場(chǎng)地均有分布。滑坡左高為124 m，長(zhǎng)度為206 m，右高47 m，抗滑樁設(shè)置在坡腳上部且靠近坡腳，滑坡最危險(xiǎn)截面圖如圖1 所示。設(shè)計(jì)了2 種不同的h 型抗滑樁放置方式，2 種h 型抗滑樁的放置方式如圖2 所示。h 型抗滑樁采用C30 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土澆筑，抗滑樁與連梁截面尺寸均為2m×3m，后排樁樁長(zhǎng)為30 m，前排樁樁長(zhǎng)為22 m，連梁長(zhǎng)度為5 m，前后排樁樁底水平高度相同，h 型抗滑樁與巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。值得注意的是，該文提到的h 型抗滑樁的正放與反放是相對(duì)滑坡滑動(dòng)方向來說的，沿著滑坡滑動(dòng)方向，樁位依次為后排樁、前排樁的為正放，樁位依次為前排樁、后排樁的為反放。

表1 h 型抗滑樁與巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 滑坡最危險(xiǎn)截面圖

圖2 h 型抗滑樁的放置方式

2 有限元模型的建立

采用有限元軟件MIDAS GTS，建立不同放置方式的h 型抗滑樁治理滑坡的二維模型，滑坡巖土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，抗滑樁與連梁均采用線彈性本構(gòu)模型。該有限元模型按平面應(yīng)變考慮，分別在模型左邊界、下邊界、右邊界施加約束，整體模型施加自重。h 型抗滑樁與連梁之間的連接為剛性連接，保證同時(shí)傳遞彎矩與剪力，有限元模型如圖3 所示。模型建立完成后，設(shè)置3 種分析工況，分別為天然工況、正放h 型抗滑樁支護(hù)工況、反放h 型抗滑樁支護(hù)工況，每種分析工況對(duì)應(yīng)選取與之相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格組。

圖3 有限元模型圖

3 數(shù)值模擬分析

在保證其他條件不變的情況下，對(duì)上述3 種工況進(jìn)行分析，得出天然工況下的坡體情況、反放與正放h 型抗滑樁滑坡治理效果、反放與正放h 型抗滑樁樁身內(nèi)力，并分別進(jìn)行分析。

3.1 滑坡治理效果分析

坡體有效塑性應(yīng)變與坡體總位移是評(píng)判滑坡治理效果的重要因素，天然工況下坡體有效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4 所示，天然工況下坡體總位移云圖如圖5 所示。由圖4可知，坡體有效塑性應(yīng)變最大為1.31，出現(xiàn)在坡腳區(qū)域；天然工況下坡體有效塑性應(yīng)變較大區(qū)域主要集中于風(fēng)化土與風(fēng)化巖接觸面附近，在坡腳與坡體中部較為明顯；坡體57.3%的區(qū)域有效塑性應(yīng)變低于0.11，2.6%的區(qū)域有效塑性應(yīng)變高于1.0。由圖5 可知，天然工況下坡體最大總位移為32 mm，明顯不滿足實(shí)際工程安全的要求，最大總位移出現(xiàn)在坡腳附近；坡體總位移主要發(fā)生在風(fēng)化土區(qū)域，風(fēng)化巖和基巖區(qū)域總位移基本上均為0；天然工況下坡體大概4.8%的區(qū)域總位移大于20 mm，95.2%的坡體區(qū)域總位移小于20 mm；從坡頂至坡腳，天然工況下坡體總位移整體呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。結(jié)合天然工況下坡體有效塑性應(yīng)變與總位移，更好地證實(shí)了布樁位置在坡腳附近的合理性。

圖4 天然工況下坡體有效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖5 天然工況下坡體總位移云圖

3 種工況下坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)與最大總位移見表2。由表2 可知，天然工況下，坡體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.04，顯然坡體不滿足工程安全的要求。正放h 型抗滑樁支護(hù)工況下坡體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，滿足工程安全的要求，穩(wěn)定安全系數(shù)較天然工況下提升了29.8%；正放h 型抗滑樁支護(hù)工況下坡體最大總位移為12 mm，與天然工況相比減少了62.5%；反放h 型抗滑樁支護(hù)工況下坡體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.38，也滿足工程安全的要求，穩(wěn)定安全系數(shù)與天然工況相比提升了32.7%；反放h 型抗滑樁支護(hù)工況下坡體最大總位移為8 mm，與天然工況相比減少了75.0%。綜上所述，正放h 型抗滑樁支護(hù)工況與反放h 型抗滑樁支護(hù)工況下，坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)與坡體最大總位移均滿足工程安全的要求，但是反放h 型抗滑樁支護(hù)坡體穩(wěn)定安全系數(shù)提升更明顯，限制坡體位移更顯著，可以得出，正放h 型抗滑樁與反放h 型抗滑樁治理滑坡效果均較明顯，但反放h 型抗滑樁治理滑坡效果更優(yōu)。

表2 3 種工況下坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)與最大總位移

3.2 抗滑樁樁身內(nèi)力分析

3.2.1 樁彎矩情況分析

正放h 型抗滑樁后排樁彎矩方向在與連梁連接處位置發(fā)生改變，后排樁埋深為17.9m 時(shí)，后排樁樁身彎矩為零，同時(shí)彎矩方向發(fā)生變化；后排樁樁身彎矩最大出現(xiàn)在與連梁連接的位置，最大彎矩大小為4.9MN·m；前排樁彎矩埋深為8.1m 時(shí)，樁身彎矩為零，樁身彎矩方向發(fā)生變化；前排樁樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂與連梁連接節(jié)點(diǎn)處，最大彎矩大小為9.8MN·m，較后排樁最大彎矩更大；綜合前當(dāng)后排樁彎矩可以看出，在水平高度相同的樁身位置處，正放h 型抗滑樁前排樁樁身彎矩較后排樁彎矩更大。反放h型抗滑樁后排樁彎矩方向在與連梁連接處位置發(fā)生改變，后排樁埋深為14.3m 時(shí)，后排樁樁身彎矩為零，同時(shí)彎矩方向發(fā)生變化；后排樁樁身彎矩最大出現(xiàn)在與連梁連接位置，最大彎矩大小為7.5MN·m；前排樁彎矩埋深為9.0m時(shí)，樁身彎矩為零，樁身彎矩方向發(fā)生變化；前排樁樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂與連梁連接節(jié)點(diǎn)處，最大彎矩大小為5.4MN·m，比后排樁最大彎矩??；綜合反放h 型抗滑樁前后排樁彎矩分析，在水平高度相同的樁身位置處，反放h型抗滑樁后排樁樁身彎矩較前排樁彎矩更大。正反放h 型抗滑樁樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置不同，正放h 型抗滑樁最大彎矩出現(xiàn)在前排樁樁頂，反放h 型抗滑樁最大彎矩出現(xiàn)在后排樁上與連梁連接的位置處。

3.2.2 樁剪力情況分析

正放h 型抗滑樁后排樁剪力方向在與連梁連接處位置發(fā)生改變，當(dāng)后排樁埋深為10m 與24m 時(shí)，后排樁樁身剪力為零，同時(shí)剪力方向發(fā)生變化；后排樁最大剪力發(fā)生在埋深17m 處，最大剪力大小為0.8MN；正放h 型抗滑樁前排樁樁身最大剪力發(fā)生在樁頂，最大剪力大小為1.3MN；正放h 型抗滑樁后排樁樁身剪力為零的位置有3 處，前排樁樁身剪力為零的位置只有一處。當(dāng)反放h 型抗滑樁后排樁埋深為20m 時(shí)，后排樁樁身剪力為零，剪力方向發(fā)生變化；當(dāng)埋深為10m 時(shí)，反放h 型抗滑樁后排樁剪力最大，最大剪力大小為1.36MN；反放h 型抗滑樁后排樁與前排樁樁身剪力為零的位置均只有一處。正反放h 型抗滑樁樁身最大剪力出現(xiàn)的位置不同，正放h 型抗滑樁最大剪力出現(xiàn)在前排樁樁頂，反放h 型抗滑樁最大剪力出現(xiàn)在后排樁上與連梁連接的位置。

綜上所述，正反放h 型抗滑樁樁身最大彎矩與剪力的位置均不同，正放h 型抗滑樁的樁身最大彎矩較反放h 型抗滑樁更大，正反放h 型抗滑樁樁身最大剪力基本相同，基本可以認(rèn)為，在正反放h 型抗滑樁中，反放h 型抗滑樁的受力更優(yōu)。

4 結(jié)論

該文結(jié)合邊坡治理工程，利用有限元軟件MIDAS GTS，建立3 種不同工況下邊坡模型，對(duì)不同工況下坡體狀態(tài)與抗滑樁樁身內(nèi)力進(jìn)行分析，得出以下3 個(gè)結(jié)論：1）在治理大推力滑坡中，正反放h 型抗滑樁治理效果均較明顯，但是正放h 型抗滑樁治理效果更優(yōu)，坡體穩(wěn)定安全系數(shù)提升了32.7%，坡體最大總位移減少了75.0%。2）正反放h 型抗滑樁樁身最大剪力基本相同，但是反放h 型抗滑樁樁身最大彎矩較小，反放h 型抗滑樁的受力更佳。3）當(dāng)布樁位置受限時(shí)，在正放h 型抗滑樁與反放h 型抗滑樁中，從受力分析角度考慮，宜選用反放h 型抗滑樁進(jìn)行大推力滑坡的治理。但是要考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件等進(jìn)行進(jìn)行綜合確定。