抗滑樁不同參數(shù)取值對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王濟滄 黃康娜 桑慶云

（1濟南城市建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250000；2濟南城建集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

在邊坡治理工程中，常常選取經(jīng)濟性好、支護(hù)效果好、施工速度快、抗滑能力強的支護(hù)措施，而抗滑樁具有以上優(yōu)點，因此在實際施工中得到了廣泛應(yīng)用。但是每個邊坡工程的地質(zhì)條件不同，抗滑樁的參數(shù)選取也不相同。目前普遍采用極限平衡法進(jìn)行參數(shù)選取分析，而極限平衡法也有弊端。極限平衡法雖然假設(shè)了樁在支護(hù)情況下的受力及滑動變形情況，但并沒有體現(xiàn)樁與土之間的相互作用和邊坡變形規(guī)律[1-2]。利用基于有限元法或者有限差分法的數(shù)值分析，可以為研究樁身參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響提供有效的研究手段[3]。

楊光華等[4]采用FLAC3D軟件模擬抗滑樁不同加固位置及尺寸，進(jìn)而分析邊坡的安全性；Won 等[5]采用極限平衡法和FLAC3D相結(jié)合的方式，對邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)以及樁體的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行了研究，并且探討了邊坡的穩(wěn)定性；王聰聰?shù)萚6]對抗滑樁支護(hù)加固邊坡的效果進(jìn)行了研究，分析了抗滑樁的最優(yōu)工況；劉怡林[7]等利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對不同工況進(jìn)行了模擬，提出了抗滑樁支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方案；戴自航等[8]結(jié)合工程實際情況，研究了在施工中抗滑樁的最佳設(shè)計方案。在抗滑樁作為支護(hù)方式的研究中，主要是針對抗滑樁的各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其次是探討邊坡的安全系數(shù)，但很少考慮樁與土的相互作用機理，也無法體現(xiàn)抗滑樁的內(nèi)力變化規(guī)律以及樁的變形變位規(guī)律。由此可知，目前的研究缺少對抗滑樁綜合參數(shù)的研究，往往根據(jù)施工經(jīng)驗確定樁的彈性模量、樁身長度、布樁位置等參數(shù)，這樣的取值通常比較保守，也缺乏科學(xué)性，存在浪費資源的情況。

基于此，本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究抗滑樁彈性模量、加固位置及樁身長度三個參數(shù)的變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 理論計算模型分析

在FLAC3D軟件中采用樁單元進(jìn)行抗滑樁的模擬，可以獲得準(zhǔn)確的計算數(shù)據(jù)?？够瑯独碚撚嬎隳Ｐ腿鐖D1所示。樁-土之間的相互作用通過模擬法線方向和切線方向的耦合彈簧數(shù)值計算，耦合彈簧屬于滑塊與非線性彈簧的組合體，能夠?qū)崿F(xiàn)實體單元與模擬樁單元網(wǎng)格之間的彎矩與力的相互傳遞。

圖1 抗滑樁力學(xué)計算模型

計算過程中，圍巖網(wǎng)格和樁單元節(jié)點之間產(chǎn)生相對位移從而產(chǎn)生剪力的計算公式如下：

式中：FS——剪切方向上非線性彈簧產(chǎn)生的剪切力；

L——模擬單元有效單元的長度；

css——剪切連接彈簧的剪切剛度；

usi——抗滑樁的軸向位移；

usm——巖土滑動面的軸向位移。

抗滑樁法線方向非線性彈簧的法向力計算式如下：

式中：Fn——法線方向非線性耦合彈簧產(chǎn)生的法向力；

L——模擬單元有效單元長度；

cns——法線方向非線性耦合彈簧的法向剛度；

uni——垂直于抗滑樁軸向的樁的位移；

unm——垂直于樁軸線方向介質(zhì)面的位移。

2 數(shù)值計算模型建立與參數(shù)選取

按平面應(yīng)變建立邊坡計算模型，巖土體變形采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，利用強度折減法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，將是否收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)。利用自編的FISH語言提取滑動面數(shù)據(jù)，將滑動面上各點的位移量化。

建模分析計算圖如圖2 所示，露天邊坡的傾斜角度較大，夾角假設(shè)為60°，屬于高陡邊坡。根據(jù)實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，花崗質(zhì)碎裂巖與黃鐵絹英巖化花崗巖相交的平面易產(chǎn)生相對滑移，從而作為重點研究對象。抗滑樁的設(shè)計樁徑為2000mm，計算過程中采用的樁長分別為12m、16m、20m、24m、28m、32m 和36m。圖2 所示的LX表示為抗滑樁加固位置到坡腳的距離，取值為（6,48），其中，x表示步距，大小為6m；L表示邊坡的水平投影距離長度，為48m。巖土參數(shù)和樁身參數(shù)取值如表1所示。

表1 巖土參數(shù)與樁身參數(shù)

圖2 數(shù)值計算模型示意圖

3 抗滑樁不同參數(shù)取值對邊坡穩(wěn)定性影響分析

3.1 抗滑樁不同加固位置的影響

抗滑樁加固邊坡時，加固位置對邊坡穩(wěn)定性也有影響。如圖3 所示，當(dāng)抗滑樁的樁長取值較小時，抗滑樁選取的加固位置對邊坡的穩(wěn)定性影響不大。假設(shè)抗滑樁的選取位置在坡腳及其附近時，抗滑樁的加固效果并不明顯。當(dāng)設(shè)樁位置到坡腳的水平距離與邊坡的水平投影距離比值增大時，抗滑樁對邊坡的加固效果越明顯，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)越好。樁長不同，其最優(yōu)加固位置也不盡相同。當(dāng)樁長為28m 時，穩(wěn)定性系數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)樁長為30m 時，最優(yōu)的加固位置不是在邊坡中部，而在位置5，此時抗滑樁加固邊坡的效果最好。

圖3 抗滑樁不同加固位置）和樁身長度與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

3.2 抗滑樁不同樁身長度的影響

由圖3 可知，曲線1 和曲線2 為平緩曲線，說明此時樁長對邊坡的穩(wěn)定系數(shù)影響不大。在這兩個位置，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)穩(wěn)定在1.0 附近，此時邊坡不穩(wěn)定。在位置L3、L7、L8，隨著樁長的增加，穩(wěn)定性系數(shù)也隨之增大，在位置L7較為明顯。此時抗滑樁的樁長越大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也越大，邊坡越穩(wěn)定。在位置L5、L6、L4時，上述現(xiàn)象愈發(fā)明顯，但無論在哪個位置，樁長大于28m 時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均趨于穩(wěn)定，此時增加樁長對邊坡的穩(wěn)定性影響較小，反而增加成本，浪費資源。邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著樁長的增加只是略有增加，甚至趨于穩(wěn)定。也就是說此時樁長增加，抗滑樁穩(wěn)定系數(shù)不再有明顯變化，此時增加樁長不再明顯影響邊坡的穩(wěn)定性。推斷抗滑樁的有效嵌固深度就在邊坡穩(wěn)定系數(shù)反彎點處，根據(jù)模擬結(jié)果可知，此時抗滑樁的樁長為最經(jīng)濟樁長，即在L5位置有最大的嵌固深度。

3.3 抗滑樁不同彈性模量的影響

在位置L5，最優(yōu)樁長值為32m，此時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)接近極值，增加樁長對加固效果并不明顯，優(yōu)化樁的彈性模量繼續(xù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗滑樁不同彈性模量與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系圖

圖6 不同彈性模量抗滑樁變矩、剪力、撓度分布示意圖

由圖4 可知，增大彈性模量并不能使穩(wěn)定性系數(shù)有明顯增加，調(diào)整彈性模量，穩(wěn)定系數(shù)變化僅為1.15%。且彈性模量在20~40GPa 之間取值時，穩(wěn)定性系數(shù)可以視為不變，因此在此區(qū)間取值，彈性模量對邊坡的穩(wěn)定性沒有影響。

3.4 抗滑樁不同彈性模量對樁身內(nèi)力和變位的影響

將抗滑樁的彈性模量作為自變量，其余參數(shù)保持不變進(jìn)行模擬研究，得到采用不同彈性模量的情況下，抗滑樁不同長度處的彎矩、剪力變化規(guī)律以及不同樁長的撓度變化規(guī)律，模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5 可以看出，樁身彈性模量不斷增大，抗滑樁的樁身彎矩及剪力也隨之增大。埋深36m 的樁，在埋深約為-18m 時的彎矩最大。充分對比分析模擬結(jié)果得出，樁身內(nèi)力的變化并不顯著，彎矩的相對誤差僅占18.6%，樁頂撓度的誤差僅有3.5mm，并且隨著樁深度的不斷增大，不同彈性模型工況下其樁撓度也基本一致，曲線基本重合，說明彈性模量的影響不大。

綜合對三個主要特征指數(shù)（抗滑樁變位、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、抗滑樁樁身內(nèi)力）進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：雖然樁身變位隨著抗滑樁彈性模量增大而減小，但效果并不明顯，在施工過程中收效甚微，在實際施工過程中，一般采用更高強度的混凝土和受力鋼筋來提高彈性模量，這會大大提高抗滑樁的施工成本及工期，造成資源浪費。因此，在工程設(shè)計階段，只需根據(jù)工程實際合理確定抗滑樁彈性模量，綜合考慮工程成本、施工進(jìn)度及支護(hù)效果，一般不采用通過增加抗滑樁彈性模量來提高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的方法。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文采用數(shù)值模擬的方法，研究了抗滑樁在選取不同參數(shù)時的邊坡穩(wěn)定情況，得到如下結(jié)論：抗滑樁布置在越靠近坡腳的位置，邊坡穩(wěn)定性越差，且樁長的增加或減小對邊坡穩(wěn)定性影響不大；抗滑樁樁長小于24m 時，抗滑樁樁位對邊坡穩(wěn)定性影響同樣不大，當(dāng)樁長大于24m時，合理布設(shè)抗滑樁的位置對提高邊坡穩(wěn)定性有顯著的效果；單純提高抗滑樁的彈性模量并不能有效增大邊坡穩(wěn)定系數(shù)，但抗滑樁的位移有一定減??；在實際工程中利用抗滑樁加固邊坡時，根據(jù)工程實際合理確定抗滑樁的最優(yōu)彈性模量即可。