抗滑樁錨固深度對(duì)樁的內(nèi)力及變形影響分析

趙兵兵

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

抗滑樁是邊坡工程中常用的加固手段。具有施工簡(jiǎn)單及適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。其中抗滑樁的錨固深度是目前學(xué)者們研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。鄭齊銀等[1]基于數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了抗滑樁錨固位置和深度。結(jié)果表明，邊坡的穩(wěn)定性隨抗滑樁的錨固深度的增大而提高，但當(dāng)錨固深度增大到一定程度時(shí)，邊坡穩(wěn)定性的增加逐漸減弱。馬顯春和羅剛[2]基于物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研究了傾滑面堆積層滑坡抗滑樁錨固深度確定方法。結(jié)果表明，滑帶處的抗力最大，且樁身彎矩隨荷載增大而減小。于洋等[3]基于FLAC-3D數(shù)值模擬研究了錨固深度對(duì)雙排抗滑樁力學(xué)性能影響。結(jié)果表明，雙排樁的位移、彎矩及剪力受錨固段深度的影響較大。其中樁的彎矩隨錨固段深度增大而增大，當(dāng)保持錨固深度不變時(shí)，樁的剪力逐漸減小且峰值向下移動(dòng)。吳維義和李昌龍[4]基于強(qiáng)度理論推導(dǎo)了抗滑樁錨固深度的確定方法。結(jié)果表明，樁的錨固深度隨樁身截面的增大而減小，當(dāng)錨固深度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，樁身彎矩呈反對(duì)稱。張文居等[5]基于MonteCarlo法研究了土體參數(shù)變異性對(duì)抗滑樁錨固深度的影響。結(jié)果表明，參數(shù)變異性越大，樁失效的概率越大，且樁錨固深度隨抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變異性大于對(duì)土體容重。陳昌富[6]等基于可靠度理論系統(tǒng)的分析了剛性抗滑樁嵌固深度可靠性。結(jié)果表明，抗滑樁的錨固深度對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較敏感，而對(duì)土體容重敏感性較弱。陳建峰等[7]基于室內(nèi)，模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研究了抗滑樁錨固長(zhǎng)度對(duì)均質(zhì)邊坡滑動(dòng)面及抗滑能力影響。結(jié)果表明，抗滑樁加固深度隨錨固段長(zhǎng)度增大而增加。此外，錨固段長(zhǎng)度大于最優(yōu)錨固深度時(shí)，樁身上部的受拉區(qū)減小，下部受壓區(qū)增大。實(shí)際工程中，樁的最優(yōu)錨固長(zhǎng)度應(yīng)綜合考慮巖性及樁性質(zhì)等因素綜合確定。

本文基于ABAQUS數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了抗滑樁錨固深度對(duì)樁的內(nèi)力及變形影響，本文的研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

1.1 工程概況

研究區(qū)滑坡位于某丘陵地帶，邊坡總長(zhǎng)度約為150m，高度約為80m。根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料顯示，研究區(qū)多年平均降雨量為630～1400mm，雨季集中于每年的6—9月。年平均溫度為14℃，最高氣溫為28℃。鉆孔資料揭示，研究邊坡滑體主要為碎石土，滑面為基覆界面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該滑坡一旦失穩(wěn)，會(huì)造成巨大的人員傷亡，因此采用雙排抗滑樁進(jìn)行治理，樁長(zhǎng)為確定為24m，樁間距為5m?；碌木唧w尺寸及典型剖面如圖1所示。

圖1 邊坡典型剖面圖

1.2 數(shù)值模型建立

本文以圖1所示的邊坡為研究對(duì)象并建立數(shù)值分析模型。其中邊坡長(zhǎng)度為150m，高度為80m?？够瑯堕L(zhǎng)度為24m。數(shù)值模型的邊界條件為底部約束3個(gè)方向的自由度。左右兩側(cè)施加水平方向的約束，頂部為自由面。對(duì)于樁土接觸本文采用罰函數(shù)進(jìn)行模擬，其中樁土的摩擦系數(shù)假定為0.48。根據(jù)既有研究，本文對(duì)模型中所采用的土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。巖土體計(jì)算本構(gòu)采用摩爾-庫(kù)倫，抗滑樁采用線彈性本構(gòu)。樁身及承臺(tái)采用C30混凝土。其中抗拉強(qiáng)度為2.5×106Pa，抗壓強(qiáng)度為2.5×107Pa。模型網(wǎng)格總數(shù)為3600個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為16000。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值

2 計(jì)算結(jié)果與分析

數(shù)值計(jì)算中采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算。對(duì)于邊坡失穩(wěn)狀態(tài)的判斷，本文以數(shù)值模擬的不收斂及滑坡位移發(fā)生突變作為判別依據(jù)。根據(jù)數(shù)值計(jì)算研究的滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.85，小于規(guī)范規(guī)定的安全性要求，因此需要采用抗滑樁進(jìn)行處置。對(duì)于分析不同工況下的計(jì)算模型時(shí)，本文確定的滑坡失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)定為1×10-6。

2.1 錨固深度與樁長(zhǎng)度的關(guān)系

首先不同樁身長(zhǎng)度下，抗滑樁的受力狀態(tài)與樁長(zhǎng)的關(guān)系。圖2—3分別為固定樁的自由段長(zhǎng)度為12m，計(jì)算不同錨固長(zhǎng)度下樁身彎矩和樁身位移的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)樁長(zhǎng)為8m，錨固段長(zhǎng)度為0時(shí)，由于樁沒有錨固作用，導(dǎo)致抗滑樁不能發(fā)揮阻滑作用，抗滑樁失效。進(jìn)一步增大樁的錨固長(zhǎng)度為1/4～1/2時(shí)，樁身的彎矩和樁身位移基本一致。其中，樁身的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在樁長(zhǎng)為10m的位置，最大負(fù)彎矩對(duì)應(yīng)的錨固段深度為1/5m工況下的-14000kN·m，而樁身的最大正彎矩出現(xiàn)在樁長(zhǎng)為18m的位置，最大正彎矩對(duì)應(yīng)的錨固段深度為1/2m工況下的7000kN·m。此外，但當(dāng)錨固長(zhǎng)度為2/5時(shí)，抗滑樁的彎矩發(fā)生突變。這主要是由于過大的錨固段長(zhǎng)度所導(dǎo)致的。根據(jù)以上分析，實(shí)際工程中，一般可取錨固段長(zhǎng)度為1/4～1/3樁長(zhǎng)為最優(yōu)錨固段長(zhǎng)度。

圖2 樁身彎矩的變化

圖3 樁身位移的變化

2.2 錨固深度與截面尺寸的關(guān)系

進(jìn)一步分析樁的錨固段長(zhǎng)度與樁截面的關(guān)系，得到圖4和圖5樁身彎矩和樁身位移的變化趨勢(shì)圖。圖4結(jié)果表明，抗滑樁樁身彎矩隨樁的截面尺寸增大而增大，這是因?yàn)椋瑯兜慕孛娉叽缭龃?，樁的剛度隨之增大，從而導(dǎo)致樁的抗滑作用增強(qiáng)。其中，樁截面尺寸為1.2m×1.8m的樁和1.5m×2.0m的方樁與直徑為2m的圓形樁的樁身彎矩值基本保持一致。但當(dāng)樁的截面尺寸增大至3.0m×4.0m時(shí)，樁身彎矩顯著增大。

圖4 樁身彎矩的變化

圖5 樁身位移的變化

根據(jù)圖6樁身位移隨隨樁身截面尺寸的變化規(guī)律結(jié)果表明，對(duì)于樁身截面尺寸為3m×4m的方形樁和2.5m×3.5m的方形樁的樁身位移基本保持相同。樁頂處的最大變形在不同截面尺寸下的值分別為0.87、0.87、0.8、0.53、0.42、0.23、0.21mm。但綜合圖4—5的結(jié)果表明，樁身截面尺寸越大，樁的阻滑能力越強(qiáng)。

圖6 樁身彎矩的變化

2.3 錨固深度與巖體強(qiáng)度的關(guān)系

為了的到抗滑樁錨固深度和巖體強(qiáng)度之間的關(guān)系，本文進(jìn)一步計(jì)算了在保持樁身截面尺寸不變的情況下，巖體強(qiáng)度與錨固段深度的關(guān)系如圖6—7所示。其中1代表樁身截面尺寸為1.2m×1.8m的方形樁，2代表樁身截面尺寸為1.5m×2.0m的方形樁，3代表樁身截面尺寸為2.0m×3.0m的方形樁，4代表樁身截面尺寸為2.5m×3.5m的方形樁，5代表樁身截面尺寸為3m×4m的方形樁，6代表樁身截面尺寸為2m的圓形樁，7代表樁身截面尺寸為3m的圓形樁。結(jié)果表明，不同工況下，樁身位移的最大值出現(xiàn)在樁頂位置。在不同的巖體強(qiáng)度下，樁身彎矩沿深度呈反對(duì)稱分布。對(duì)于錨固段序號(hào)為1～4的情況下，樁身彎矩大小基本相同，但對(duì)于序號(hào)5的工況下，樁身彎矩發(fā)生突變。此外，圖7結(jié)果表明，樁身位移隨巖土體強(qiáng)度增大而增大，并且位移零點(diǎn)的位置隨巖體強(qiáng)度的增大而顯著向樁頂移動(dòng)。對(duì)于序號(hào)為7號(hào)工況下的樁變形顯著大于其他6種工況下的樁體變形[8-9]。

圖7 樁身位移的變化

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，樁的錨固深度隨巖體強(qiáng)度的增大而減小，在其他條件不變的情況下，巖體強(qiáng)度越大，樁頂變形越大，當(dāng)滑坡的下滑力達(dá)到一定上限值時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致抗滑樁在滑面處發(fā)生剪切破壞。

3 結(jié)語

本文采用有限元手段研究了抗滑樁錨固深度對(duì)樁的內(nèi)力及變形影響，分析了不同參數(shù)變化對(duì)樁身彎矩和樁體變形規(guī)律。得到以下結(jié)論。

(1)抗滑樁的錨固段長(zhǎng)度對(duì)于樁的加固效應(yīng)是顯著的，當(dāng)錨固段深度不夠時(shí)，樁的阻滑作用減小甚至消失，抗滑樁無法發(fā)揮治理效果。一般可取錨固段長(zhǎng)度為1/4～1/3樁長(zhǎng)為最優(yōu)錨固段長(zhǎng)度。

(2)抗滑樁的形狀對(duì)邊坡加固效果有影響，相同條件下，方形樁的加固效果大于圓形樁。

(3)錨固段深度隨巖體強(qiáng)度參數(shù)增大而減小。在其他條件不變的情況下，巖體強(qiáng)度越大，樁頂變形越大，當(dāng)滑坡的下滑力達(dá)到一定上限值時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致抗滑樁在滑面處發(fā)生剪切破壞。