不同參數(shù)條件下抗滑樁的力學(xué)性狀分析

高超

【摘 ? ?要】：為了研究不同參數(shù)抗滑樁對(duì)邊坡加固效果的影響，選取不同截面形狀抗滑樁分別在相同截面積、抗彎剛度、不同樁間距和相同抗彎剛度、不同截面面積兩種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用強(qiáng)度折減法對(duì)樁-邊坡體系進(jìn)行計(jì)算，分析安全系數(shù)隨抗滑樁截面形狀、樁間距、截面面積的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)抗滑樁截面邊數(shù)目與邊坡加固效果之間的必然聯(lián)系，揭示不同截面形狀、截面面積和樁間距對(duì)抗滑樁內(nèi)力、邊坡位移的影響規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】：抗滑樁；樁間距；截面形狀；抗彎剛度；邊坡加固

【中圖分類(lèi)號(hào)】：TU473.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-19-08

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.005

Analysis of Mechanical Properties of Anti-slide Pile under Different Parameters

GAO Chao

（China Railway Design Corporation， Tianjin 200063， China）

【Abstract】：In order to study the influence of different parameters of anti-slide pile on the slope reinforcement effect， the paper selectes anti-slide piles with different section shapes for numerical simulation under the two conditions of the same sectional area， bending stiffness， different pile spacing， same bending stiffness and different section area. By using the strength reduction method to calculate the pile-soil unit， the paper analyzes the variation trend of safety coefficient with section shape， pile spacing and section area of anti-slide pile， discovers the inevitable relation between the number of sides of anti-slide pile section and the reinforce effect of slope and reveals. The influence law of different section shapes， section areas and pile spacing on internal force and slope displacement of anti-slide piles.

【Key words】：anti-slide pile; pile spacing; cross-section shape; flexural rigidity; slope reforcement

抗滑樁以抗滑能力大、樁位布置靈活、支擋防護(hù)效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到各種邊坡防護(hù)工程。實(shí)際工程中，抗滑樁截面形狀多種多樣，樁間距布設(shè)等也沒(méi)有確定的方案，研究抗滑樁截面形狀、樁間距、截面面積等參數(shù)對(duì)維護(hù)邊坡穩(wěn)定、降低工程造價(jià)等具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者開(kāi)展了抗滑樁不同參數(shù)對(duì)邊坡加固效果影響的相關(guān)研究。Cai F等[1]、 Ugai K等[2]對(duì)樁-邊坡體系進(jìn)行了相應(yīng)的理論計(jì)算并對(duì)抗滑樁部分參數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)抗滑樁抗彎剛度和樁頂條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響比較大，合理設(shè)計(jì)錨固端長(zhǎng)度可有效降低成本。周記名[3]、司光武[4]、朱興帥[5]、李賢等[6]、鄭百錄等[7]、年廷凱等[8]借助數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方法，就不同截面形狀抗滑樁的受力以及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)矩形和圓形群樁承受滑坡推力基本相近，對(duì)樁間土拱效應(yīng)的形成有一定影響；圓形抗滑樁在施工過(guò)程中安全性更高，而矩形抗滑樁的受力更好。李浩等[9]、丁橋軍等[10]、謝明星等[11]采用單因素分析法，研究了不同樁間距對(duì)邊坡位移、安全系數(shù)、樁身土壓力等的影響，發(fā)現(xiàn)樁間距變化對(duì)樁身彎矩影響較小，不同深度樁身土壓力受樁間距的影響較為明顯。

目前對(duì)抗滑樁截面形狀的研究大多集中于矩形和圓形，對(duì)正方形、正六邊形、正五邊形等不同截面形狀抗滑樁加固效果的研究較少，針對(duì)抗滑樁加固效果與截面邊數(shù)、截面面積、抗滑樁截面形狀與合理樁間距間的相互聯(lián)系也沒(méi)有定論，本文選取5種截面形狀和5種樁間距，研究不同參數(shù)抗滑樁對(duì)邊坡加固效果的影響規(guī)律。

1 模型建立

采用典型邊坡算例[12～13]，抗滑樁加固于主滑區(qū)，模型長(zhǎng)L為35 m、高H為20 m、進(jìn)深W為10 m，主滑段坡比為1∶1.5，滑坡體抗滑區(qū)水平長(zhǎng)度L1為10 m，主滑區(qū)長(zhǎng)L2為15 m，后緣區(qū)長(zhǎng)L3為10 m；抗滑樁長(zhǎng)度統(tǒng)一取Lp為15.5 m，樁心距坡腳水平距離LX為10.5 m，樁心間距S分別取3、3.5、4、4.5、5 m。見(jiàn)圖1和表1。

選取截面面積為1 m2，截面形狀為正方形、長(zhǎng)方形、正六邊形、正五邊形、圓形，樁間距為3、3.5、4、4.5、5 m研究不同截面形狀抗滑樁在不同樁間距下邊坡加固效果；選取截面形狀為正方形、長(zhǎng)方形、正六邊形、圓形研究相同抗彎剛度、不同截面形狀的抗滑樁在不同橫截面積下邊坡加固效果。建立模型時(shí)遵循參數(shù)一致原則，共需建立29個(gè)分析模型。見(jiàn)圖2。

模型四周邊界均為約束法向位移，底面為固定約束。樁-邊坡體系以樁體側(cè)面和底面為主控面，巖體表面為從屬面，采用面面離散分析，法向定義為硬接觸，切向摩擦系數(shù)均設(shè)為0.51，樁與巖體均采用六面體、C3D8單元進(jìn)行計(jì)算。見(jiàn)表2。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 抗滑樁參數(shù)對(duì)安全系數(shù)影響

對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行強(qiáng)度折減，計(jì)算不收斂時(shí)安全系數(shù)隨抗滑樁截面形狀和樁間距變化關(guān)系。見(jiàn)表3和圖3。

樁間距相同，隨著抗滑樁截面邊數(shù)的增加，安全系數(shù)逐漸降低，當(dāng)邊數(shù)趨近無(wú)線多時(shí)，截面形狀趨近圓形，此時(shí)安全系數(shù)最小。若邊坡滑動(dòng)方向已知，長(zhǎng)方形抗滑樁為最優(yōu)選擇；若滑動(dòng)方向未知，正方形抗滑樁為最優(yōu)選擇。由于抗滑樁塑性變形較小，可近似看做剛性擋墻，在滑動(dòng)方向已知的情況下，垂直滑動(dòng)面邊與平行滑動(dòng)面邊比值越大，墻面越寬，滑動(dòng)位移越小，抗滑能力越強(qiáng)，安全系數(shù)越大。

截面形狀相同，隨著樁間距逐漸增大，安全系數(shù)逐漸減小，當(dāng)樁間距無(wú)限大時(shí)，相鄰兩樁互相影響忽略不計(jì)，可近似看做單樁作用，此時(shí)安全系數(shù)最小。截面形狀為正方形和長(zhǎng)方形、樁間距＜4 m時(shí)，安全系數(shù)變化趨勢(shì)較慢；樁間距超過(guò)4 m后，安全系數(shù)下降趨勢(shì)較快；樁間距宜設(shè)為4 m。截面形狀為正五邊形和正六邊形、樁間距＜4.5 m時(shí)，安全系數(shù)變化較??；超過(guò)4.5 m時(shí)，安全系數(shù)變化較大；樁間距宜設(shè)為4.5 m。截面形狀為圓形時(shí)，為防止邊坡失穩(wěn)，樁間距宜≥5 m。不難發(fā)現(xiàn)，隨著截面邊數(shù)逐漸增大，最優(yōu)樁間距有逐漸遞增，當(dāng)樁間距過(guò)分增大，會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性反而下降；因此抗滑樁間距應(yīng)在一定范圍，與工程實(shí)踐相符。

2.2 抗滑樁接觸應(yīng)力隨抗滑樁參數(shù)變化規(guī)律

以抗滑樁前后為路徑，分別提取計(jì)算結(jié)果不收斂時(shí)樁兩側(cè)的接觸應(yīng)力。見(jiàn)圖4和圖5。

抗滑樁底應(yīng)力較集中且不受截面形狀和樁間距的影響。在工程實(shí)踐中，為防止應(yīng)力過(guò)大造成底部折樁，應(yīng)適當(dāng)增加抗滑樁底部強(qiáng)度。樁間距對(duì)抗滑樁應(yīng)力分布情況幾乎沒(méi)有影響，截面形狀對(duì)抗滑樁應(yīng)力分布有較明顯影響；樁前和樁后隨樁間距的變化趨勢(shì)基本相同，但樁前接觸應(yīng)力近似為樁后接觸應(yīng)力的2倍，這是由于抗滑樁型心距離坡腳水平距離較大，而距離坡頂水平距離較小；另外，相同樁間距下，正方形最大接觸應(yīng)力最大，圓形接觸應(yīng)力較小，間接可以說(shuō)明隨著截面邊數(shù)增加，接觸應(yīng)力出現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)。

接觸應(yīng)力均在距樁頂4～12 m出現(xiàn)較大波動(dòng)，整體應(yīng)力峰值均隨樁間距增大出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，增大到一定程度接觸應(yīng)力變化趨于平緩。截面形狀為正方形和長(zhǎng)方形、樁間距＜4 m時(shí)，接觸應(yīng)力減小趨勢(shì)較為明顯，超過(guò)4 m后變化幅度較??；截面形狀為正五邊形和正六邊形、樁間距＜4.5 m時(shí)樁兩側(cè)接觸應(yīng)力變化較小，超過(guò)4.5 m時(shí)變化幅度較大；截面形狀為圓形、樁間距3～5 m范圍內(nèi)接觸應(yīng)力均有較明顯減小趨勢(shì)；因此圓形抗滑樁間距應(yīng)＞5 m。接觸應(yīng)力隨樁間距變化規(guī)律基本與安全系數(shù)隨樁間距變化情況相符，證明了結(jié)論的可靠性。

2.3 坡體變形隨抗滑樁參數(shù)變化規(guī)律

選取坡腳任一點(diǎn)，研究不同時(shí)間下，樁間距與樁截面對(duì)坡體水平位移影響。見(jiàn)圖6。

坡體整體位移方向不隨截面形狀和樁間距發(fā)生變化，均向左。相同樁間距下，長(zhǎng)方形截面加固效果最理想；圓形截面坡體變形較大，綜合考慮施工不便等因素，工程實(shí)踐中應(yīng)盡量避免使用圓形抗滑樁。從正方形到圓形，截面邊數(shù)逐漸增加，坡體位移逐漸變大；可近似看做截面邊數(shù)與坡體加固效果負(fù)相關(guān)。

隨計(jì)算時(shí)長(zhǎng)增加，坡體位移增大；從時(shí)長(zhǎng)1.600 00開(kāi)始，位移出現(xiàn)較大變化且隨樁間距增加，位移突變出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前。不同截面形狀抗滑樁對(duì)樁間距變化的敏感度不同，正方形和長(zhǎng)方形截面在樁間距＞4 m后位移變化較??；正六邊形截面抗滑樁在樁間距＞4.5 m后位移基本不變，與由安全系數(shù)和接觸應(yīng)力得到的不同截面形狀抗滑樁最優(yōu)樁間距基本相同。

2.4 相同安全系數(shù)下抗滑樁內(nèi)力及位移分布規(guī)律

為研究不同截面抗滑樁兩側(cè)內(nèi)力隨安全系數(shù)變化規(guī)律，分別提取單抗滑樁在折減系數(shù)分別為1.25、1.45時(shí)樁的接觸應(yīng)力和水平剪力（當(dāng)樁間距為無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，樁間影響較小，可近似作為單樁處理）。見(jiàn)圖7-圖10。

相同折減系數(shù)，截面形狀對(duì)樁身內(nèi)力分布幾乎沒(méi)有影響，這是由于樁長(zhǎng)、巖體一定情況下，巖體作用于抗滑樁的接觸力不變，故在不考慮樁的微變形情況下，樁身內(nèi)力分布情況也是一定的；相同樁身，折減系數(shù)越高，應(yīng)力越集中，樁后應(yīng)力集中程度越強(qiáng)。隨著邊數(shù)增多，截面越趨近于圓形，此時(shí)應(yīng)力呈圓弧狀。

折減系數(shù)1.25，隨著截面邊數(shù)增多，抗滑樁位移在一定程度上有逐漸減小的趨勢(shì)且方形截面整體變形幅度較大，這是由于方形較圓形抗滑樁更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而對(duì)樁體產(chǎn)生幅度較大的變形，與實(shí)際情況相符。見(jiàn)圖11。

當(dāng)折減系數(shù)從1.25增長(zhǎng)到1.45，縱向沿著樁身的剪力峰值提高幅度超過(guò)40%；圓形截面剪力峰值提高幅度最大，為46.14%。但實(shí)際工程中，抗滑樁所能承受的剪力存在上限值，超過(guò)會(huì)發(fā)生塑性變形甚至破壞。見(jiàn)圖12。

同抗彎剛度下，截面形狀對(duì)樁水平位移方向和位移分布幾乎沒(méi)有影響，較大水平位移均在樁頂；矩形比圓形抗滑樁樁身位移大。見(jiàn)圖14。

四種截面樁中，從正方形到圓形樁兩側(cè)接觸應(yīng)力峰值依次增大，水平剪應(yīng)力依次減小，內(nèi)力分布情況基本相同，樁前側(cè)接觸應(yīng)力和水平剪應(yīng)力較大變化均在距樁頂4～12 m位置?？山普J(rèn)為，隨著截面邊數(shù)增多，接觸應(yīng)力逐漸增大，水平剪應(yīng)力逐漸減小。這是由于隨著截面邊數(shù)增大，抗滑樁截面逐漸趨于圓形，圓形樁承受較大接觸應(yīng)力，承受剪力相應(yīng)較小，與實(shí)際情況相同。見(jiàn)圖15和圖16。

3 結(jié)論

1）相同樁間距下，隨著抗滑樁截面邊數(shù)增加，安全系數(shù)逐漸降低，當(dāng)邊數(shù)趨近無(wú)限多時(shí)，截面趨近圓形，安全系數(shù)最小。若邊坡滑動(dòng)方向已知，長(zhǎng)方形抗滑樁為最優(yōu)選擇；若滑動(dòng)方向未知，正方形抗滑樁為最優(yōu)選擇。由于抗滑樁塑性變形較小，可近似看做剛性擋墻，在滑動(dòng)方向已知的情況下，垂直滑動(dòng)面邊與平行滑動(dòng)面邊比值越大，墻面越寬，滑動(dòng)位移越小，抗滑能力越強(qiáng)，安全系數(shù)越大。相同抗滑樁截面形狀下，隨著樁間距逐漸增大，安全系數(shù)也逐漸降低，當(dāng)樁間距無(wú)限大時(shí)，相鄰兩樁互相影響忽略不計(jì)，可近似看做單樁作用，此時(shí)安全系數(shù)最小。

2）截面形狀為正方形和長(zhǎng)方形時(shí)，最優(yōu)樁間距近似為4 m；截面形狀為正五邊形和正六邊形時(shí)，最優(yōu)樁間距近似為4.5 m截面形狀為圓形時(shí)，樁間距至少應(yīng)＞5 m。由此可知：隨著截面邊數(shù)逐漸增大，最優(yōu)樁間距有逐漸增大的趨勢(shì)，但間距過(guò)分大會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降，因此抗滑樁間距應(yīng)在一定范圍。

3）應(yīng)力集中在樁底位置不受截面形狀和樁間距影響；工程實(shí)踐中，為防止應(yīng)力過(guò)大底部折樁，應(yīng)適當(dāng)增加抗滑樁底部強(qiáng)度。樁間距對(duì)抗滑樁應(yīng)力分布情況幾乎沒(méi)有影響，截面形狀對(duì)抗滑樁應(yīng)力分布有較明顯影響；樁前和樁后隨樁間距的變化趨勢(shì)基本相同，但樁前接觸應(yīng)力近似為樁后接觸應(yīng)力的2倍。另外，相同樁間距下，正方形最大接觸應(yīng)力最大，圓形接觸應(yīng)力較小，間接可以說(shuō)明隨著截面邊數(shù)增加，抗滑樁接觸應(yīng)力出現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)。

4）邊坡整體位移方向不隨截面形狀和樁間距發(fā)生變化，均向左。相同樁間距，長(zhǎng)方形截面加固效果最理想；圓形加固變形較大，綜合考慮圓形狀施工不便等因素，應(yīng)盡量避免使用圓形抗滑樁?？够瑯都庸踢吰轮?，截面形狀從正方形到圓形，截面邊數(shù)逐漸增加，坡體位移逐漸變大；可近似看做截面邊數(shù)與坡體加固效果負(fù)相關(guān)。隨計(jì)算時(shí)間的增加，坡體位移增大，從計(jì)算時(shí)長(zhǎng)1.6開(kāi)始，位移均變化較大且隨著樁間距在一定范圍內(nèi)的變化，位移突變情況出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前。

5）相同折減系數(shù)下，不同截面形狀對(duì)樁身內(nèi)力分布幾乎沒(méi)有影響，在不考慮樁的微變形情況下，樁身內(nèi)力分布情況是一定的。在相同樁身處，抗滑樁安全系數(shù)越高，應(yīng)力越集中，樁后應(yīng)力集中程度越強(qiáng)。隨著邊數(shù)增多，截面越趨近于圓形，此時(shí)應(yīng)力呈圓弧狀。此外，隨著截面邊數(shù)增多，抗滑樁位移在一定程度上有逐漸減小趨勢(shì)且方形抗滑樁整體變形幅度較大；這是由于方形抗滑樁較圓形樁容應(yīng)力更易集中?？v向沿樁身剪力峰值隨折減系數(shù)增大而增大；實(shí)際工程中，抗滑樁所能承受的剪力存在上限值，當(dāng)達(dá)到抗滑樁所能承受的范圍時(shí)抗滑樁將會(huì)發(fā)生塑性變形甚至破壞。

6）相同抗彎剛度條件下，正方形和長(zhǎng)方形安全系數(shù)均大于正六邊形和圓形截面樁，可近似認(rèn)為隨著截面邊數(shù)增加安全系數(shù)逐漸減小，接觸應(yīng)力逐漸增大，水平剪應(yīng)力逐漸減?。豢够瑯督孛鎸?duì)樁水平位移方向和位移分布幾乎沒(méi)有影響，不同截面樁較大水平位移均樁頂且矩形抗滑樁比圓形抗滑樁樁身位移大。

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