抗滑樁幾何參數(shù)對含多層泥化夾層邊坡支護(hù)效果的影響分析

王志強(qiáng)，龍鄖鎧

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

抗滑樁具有優(yōu)秀的阻滑能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于含有夾層的邊坡支護(hù)中[1-3]，目前對抗滑樁加固含弱層邊坡效果的研究已經(jīng)有了大量且成熟的研究成果。云南某發(fā)電廠高邊坡在開挖支護(hù)施工期間發(fā)生了多次失穩(wěn)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失本文基于有限元軟件plaxis 探究了抗滑樁幾何參數(shù)（樁長、截面形狀和直徑）對該高邊坡的支護(hù)效果，以期為該工程和類似項目提供一定的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模型及計算方案

1.1 數(shù)值模型

該高邊坡附近的地層巖性簡單，以白云巖為主，但白云巖碎裂化程度高且含有多個泥化夾層，泥化夾層該工程邊坡是否穩(wěn)定運(yùn)行的控制性因素之一。

選擇一個較為典型的剖面如圖1 所示，巖土體材料參數(shù)見表1，抗滑樁參數(shù)見表2。模型底邊界為固定約束，前后及兩側(cè)邊界為法向約束，地表面為自由邊界。巖土體均視為理想彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則都采用傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。有限元數(shù)值計算采用巖土工程專業(yè)軟件PLAXIS 執(zhí)行。

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

表2 抗滑樁的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 縱剖面地質(zhì)圖

圖2 抗滑樁示意圖

1.2 計算方案

（1）樁長的影響?？够瑯吨睆紻 為1.6 m，樁間距Sp 為3 m，三維數(shù)值模型厚度為6 m 分別設(shè)樁長為Lp=18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m、32 m、34 m、35 m、40 m，11 種深度。

（2）樁橫截面形狀的影響?？紤]圓形、正方形、長方形截面，橫截面積相等，圓的直徑D 為1.6 m，正方形邊長為1.417 m，長方形的長寬比a/b=3/2，a=1.737 m，b=1.158 m。樁長Lp 取35 m，Sp 取3 m。

（3）樁直徑的影響。設(shè)置圓形截面樁進(jìn)行計算，樁長Lp 取35 m，樁直徑D=0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m，Sp=2D，模型厚度為2Sp。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗滑樁樁長的影響

抗滑樁處泥化夾層最大埋深為20.1 m，抗滑樁樁長18 m、20 m 時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.331、1.338，當(dāng)樁長增加到22 m 時，安全系數(shù)驟然增加到1.393，從22 m 到28 m，安全系數(shù)緩慢增加到1.433 之后不再變化（如圖3 所示）。以上描述表明抗滑樁樁長增加，安全系數(shù)先增大，達(dá)到或超過臨界長度后安全系數(shù)趨于恒定，樁長的阻滑功效存在極限。隨樁長增加，先后發(fā)生樁前坡體滑動，抗滑樁與坡體整體下滑，只有當(dāng)抗滑樁長度達(dá)到一定數(shù)值，抗滑樁才能積極發(fā)揮阻滑功效。當(dāng)?shù)竭_(dá)或超過臨界長度后安全系數(shù)趨于恒定的臨界長度是28 m。

圖3 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)與抗滑樁樁長的關(guān)系

2.2 抗滑樁橫截面形狀的影響

分別設(shè)置等面積的圓形、正方形和長方形橫截面的抗滑樁加固邊坡，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大（如表3所示）。采用公式和計算圓形、正方形和長方形的慣性矩：

表3 不同截面抗滑樁邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)、抗滑樁內(nèi)力和樁頭位移

它們的慣性矩分別為0.322 m4、0.336 m4、0.506 m4，表明長方形截面樁繞X 軸的抗彎剛度比圓形樁大。因此，長方形截面抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù)比正方形、圓形截面抗滑樁加固邊坡大。

綜上所述，在相同坡位分別設(shè)置等面積圓形、正方形和長方形抗滑樁加固邊坡，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，抗滑樁內(nèi)力和樁頭位移逐漸減小。對于含多層泥化夾層的順層碎裂巖質(zhì)高邊坡，其一般沿巖層傾向滑動，不考慮施工作業(yè)，僅從邊坡穩(wěn)定和抗滑樁內(nèi)力來評價，長方形截面抗滑樁要優(yōu)于正方形、圓形截面樁。

2.3 抗滑樁直徑的影響

抗滑樁直徑D 從0.9 m 增加到1.6 m，距徑比Sp/D=2 保持不變，抗滑樁慣性矩Ix 從0.0322 m4線性增加到0.3217 m4，混凝土用量從12.37 m3/m 呈凹拋物線增加到21.99 m3/m（圖4（a）），混凝土用量指沿X 軸方向每延米混凝土的消耗量，可按下式計算：

圖4 Sp/D=2 時抗滑樁相關(guān)參數(shù)與樁徑的關(guān)系

式中：vc 為混凝土用量，D 為樁徑，Lp 為樁長，Sp 為樁間距。

數(shù)值計算結(jié)果顯示，若Sp/D=2 保持不變，樁徑增大，模型Ⅲ的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)從1.379 近乎線性增加到了1.414，但是安全系數(shù)的增幅是很小的（圖4（b））。戴自航和徐祥[4]、年廷凱等[5]研究表明，若樁間距Sp保持不變，樁徑D增大，安全系數(shù)越大。年廷凱等[5]認(rèn)為，若距徑比Sp/D不變時，在不考慮彈性模量變化的情況下，樁徑在0.6～2.0 m 之內(nèi)取值所得出的邊坡安全系數(shù)基本一致，這個結(jié)論與本文類似。

通過以上分析表明：（1）若Sp/D 不變，擬通過增加樁徑來提高邊坡穩(wěn)定性是不可取的。（2）抗滑樁加固邊坡工程，根據(jù)預(yù)期的安全系數(shù)，樁間距與樁徑有多種可供選擇方案，如小直徑小間距、中直徑中間距、大直徑大間距。

綜合考慮，若Sp/D 不變，樁徑D 增大，抗滑樁的慣性矩增大，邊坡安全系數(shù)有微小增大，但是混凝土用量快速增加，導(dǎo)致造價增加，僅從這方面考慮選擇小直徑抗滑樁更合適，但是小直徑抗滑樁，樁間距小，樁數(shù)量多，施工不便，造價也會增加。大直徑抗滑樁雖然混凝土用量多，但是施工快。對于本工程，樁徑取1.4 m較為合適。

3 結(jié)論

（1）樁長增加，安全系數(shù)先增大后趨于恒定，有一個臨界長度?？够瑯抖?，可能發(fā)生樁前坡體滑動和抗滑樁—坡體整體滑移，達(dá)到一定長度后才能積極發(fā)揮抗滑功效；

（2）長方形截面抗滑樁的加固效應(yīng)要優(yōu)于正方形、圓形截面樁；

（3）若距徑比不變，樁徑D 增大，抗滑樁的慣性矩增大，邊坡安全系數(shù)有微小增大，但是混凝土用量快速增加，導(dǎo)致造價增加。