多排微型桩边坡加固的效果分析

朱怀银

(中国铁路上海局集团有限公司 建设管理处，上海 200071)

微型桩作为一种支挡抗滑结构物被广泛使用在边坡的稳定性治理中，这种支挡结构具有放坡空间小、侧向刚度大等特点[1-4]。近年来多排微型桩技术逐渐兴起，它是通过桩顶连梁刚性连接将多排微型桩结合使用的一种新技术，将多排微型桩视为一个整体，对岩土体可起到更大的支挡抗滑作用，增强了桩间及桩周土体的强度。

一些学者对多排桩的受力特性进行了研究和分析。周鹏华[5]利用MIDAS GTS NX有限元软件和现场监测对双排桩进行受力变形分析，研究表明双排桩桩身水平位移随深度变化基本呈“S”形分布，并且加固桩间土后，桩、土间整体性更强。张秀成等[6]应用ABAQUS软件，选取Mohr-Coulomb土体本构模型对武汉地区一深基坑双排桩支护结构进行三维数值计算，认为在前后排桩协同作用下，冠梁大大约束了桩顶的侧向变形，并使得前后排桩的变形协调一致。朱庆科[7]基于winker假定对双排桩进行理论计算和数值分析，提出了考虑冠梁平面外实际刚度的理论计算方法，可以考虑冠梁实际弯曲变形计算双排桩支护结构的内力和变形特性。吴刚[8-9]采用FLAC 3D有限差分法软件模拟了河北邯郸一双排桩深基坑的开挖和支护过程,分析了开挖过程中土体位移场的变化规律;重点讨论了排距、前后排桩的桩长、桩径和排间土体刚度对双排桩支护结构的影响。唐春[10]在定性分析和初步设计的基础上，建立数值计算准三维模型并设计多种计算工况，分析了滑坡整治措施的必要性及初步方案的可行性，进而对设计方案提出了优化。

目前许多学者对排桩支护做了大量的数值模拟、模型试验以及现场监测研究工作，但大多数的研究仅涉及双排桩，对于三排桩的研究相对较少。本文采用ABAQUS有限元软件建立三排钢花管桩数值模型，研究三排钢花管桩的受力变形规律，从而为指导三排桩的设计和施工提供有效的依据。

1 数值模拟方案

1.1 模型尺寸

采用ABAQUS建立三维模型，土体选取Mohr-Conlomb模型，模拟的土体计算域横向宽为42 m，高为15 m。自上而下设置上部滑体为土体，下部滑床为岩体的分层，滑体高度为6 m的土质边坡，下部岩体深度取 9 m，滑体与滑床之间存在约0.2 m的滑带，不考虑地下水对滑坡的影响。微型桩的桩长12 m，桩径为0.13 m，横纵桩间距均为1 m，选取纵向中间的一列桩为研究对象，由左向右分别为1#桩、2#桩和3#桩。边坡与微型桩均采用弹性模型进行模拟，边坡及微型桩模型如图1所示。

图1 微型桩加固滑坡模型示意

模型中不同实体间接触：有限元模型中将桩顶板和所有的桩作为一个部件，桩与顶板之间为刚性连接，与实际工程情况相符;土体作为另一个部件。桩与土之间以及顶板与土之间采用摩擦接触进行连接，桩土之间摩擦因数为0.35，桩与岩体之间摩擦因数为0.58，顶板与边坡顶面土之间摩擦因数为0.35。

约束及边界情况：模型岩土体底端约束x,y,z方向位移；模型右侧约束水平位移；模型的左侧岩体部分约束水平位移(x向)，上部土体为加载范围，滑带范围为自由边界；模型前后两面(y向)约束水平位移。

荷载情况：在模型滑体左侧断面进行位移加载，加载位移达50 mm。因为在位移加载条件下滑坡推力分布较合理，采用位移加载方式在有限元计算中控制方便，物理意义明确。

1.2 模拟工况

实际边坡工程中常会遇到不同的地质条件，并需要确定桩的排数、桩间距、微型桩组合形式等多种因素。为了更好地研究微型桩加固边坡的机理，确定合理的加固设计参数，本文将对地层条件和桩排数2个影响因素进行分析，研究3种不同的滑坡土体，其各部分参数见表1。

表1 模型中滑体、滑带及滑床物理力学参数

不同桩排数微型桩加固边坡，结构作用机理差别较大。在进行微型桩加固边坡设计时，确定合理的桩排数非常关键。设计了单排、双排和三排的模型，研究其不同的承载特性。不同桩排数模型参数见表2。

表2 不同桩排数分析模型参数

1.3 单桩极限承载力

图2 微型桩注浆圆形截面

在进行下一步有限元计算之前需要确定微型桩(直径130 mm，如图2所示，图中α为受压区截面面积对应的圆心角(rad)与2π 的比值；r为圆形截面半径，取65 mm；rs为钢管截面重心所在圆周半径)的极限承载能力，以确定有限元计算中桩在何时发生破坏。

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》附录E.0.4 圆形截面混凝土受弯承载力公式,计算得受弯承载力Mu=24.30 kN·m,受剪承载力Q=260.07 kN。

2 结果分析与讨论

2.1 不同地层条件影响因素分析

2.1.1 桩身水平位移

图3 不同边坡地层条件下桩身水平位移

不同边坡地层条件下，桩间距为1.0 m的三排桩模型加载位移50 mm条件下的桩身水平位移见图3。可知，不论在何种土层条件下，三排桩的位移呈现相似的变化趋势，最大水平位移发生在桩顶位置。煤系地层边坡桩顶最大水平位移为37.0 mm，花岗岩残积层边坡桩顶最大水平位移为41.0 mm，强风化角岩边坡桩顶最大水平位移为47.7 mm。随着桩深的增加，其水平位移逐渐减小，土质较软弱(煤系地层)时桩身水平位移从桩顶至滑带附近逐渐过渡，滑带附近桩身水平位移较小，桩身呈现整体倾斜型；随着边坡地层强度逐渐增大(花岗岩残积层和强风化角岩)，滑带附近桩身位移随之急剧增大，滑带以上桩体呈现随土体整体水平移动的趋势。

2.1.2 桩身弯矩

不同边坡地层条件下，桩间距为1.0 m的三排桩模型在加载位移50 mm条件下的桩身弯矩见图4(强风化角岩加载位移至30 mm时桩身弯矩达到极限弯矩)。可知，不同地层条件下，桩身的弯矩分布形式基本一致，桩顶存在不同方向的弯矩(第1排桩与第2排桩、第3排桩方向相反)，桩身最大弯矩发生在滑带附近。岩土体强度越高桩身最大弯矩越大，煤系地层土体的最大弯矩达到10.3 kN·m；花岗岩土体和强风化角岩土体左侧边界加载位移到30 mm左右时，桩身弯矩分别达到了23.7 kN·m 和24.1 kN·m，接近24.3 kN·m桩身极限弯矩。

图4 不同边坡地层条件下桩身弯矩

不同地层条件下的三排桩第1排桩与第2排桩、第3排桩弯距方向相反，因为3根桩桩顶采用顶板刚接在一起。左侧位移加载开始后，先推动第1排桩移动，第1排桩通过顶板带动第2排桩、第3排桩移动，造成第1排桩与第2排桩、第3排桩在桩顶附近弯矩方向相反。

2.1.3 桩身剪力

图5 不同边坡地层条件下桩身剪力

不同边坡地层条件下，桩间距为1.0 m的三排钢花管桩模型在加载位移50 mm条件下的桩身剪力见图5(强风化角岩加载位移至30 mm时受弯破坏)。可知，桩身剪力分布及最大值随边坡土质情况变化呈现出与弯矩类似的情况，剪力最大值发生在滑面附近；边坡土质越硬，桩身最大剪力越大。左侧边界加载位移50 mm时，煤系地层条件下三排桩桩身最大剪力分别为25.4，16.4，12.1 kN，第2排桩、第3排桩剪力分别为第1排桩的64.5%，47.6%；花岗岩残积层条件下桩身最大剪力分别为80.2，70.6，60.0 kN，第2排桩、第3排桩剪力分别为第1排桩的88%，75%；强风化角岩条件下加载位移至30 mm时桩身最大剪力分别为187.9，158.2，112.4 kN，第2排桩、第3排桩剪力分别为第1排桩的84.2%，59.8%。

2.1.4 滑坡推力与桩顶位移

滑坡推力与加载位移变化曲线见图6。可知，第1类土(煤系地层)边坡因岩质较软，微型桩加固效果并不明显，加载位移50 mm时，有桩模型滑坡推力相对于无桩增加约40 kN；第2类土(花岗岩残积层)有桩模型滑坡推力相对于无桩增加约210 kN；第3类土(强风化角岩地层)，有桩模型滑坡推力相对于无桩增加约340 kN。

图6 滑坡推力与加载位移变化曲线

2.1.5 结果讨论

通过对不同地层的三排桩进行数值模拟分析，可以得到：①当边坡左侧位移加载50 mm时，较软弱土质中三排桩桩身水平位移有一定的差别，且土质越硬三排桩间的差异水平位移越小。强风化角岩地层中三排桩水平位移几乎完全一致。其原因为加载过程中，土体带动抗滑桩移动，土体强度越高，传递位移的能力越强，导致桩身水平位移越大，同时三排桩之间的差异位移越小。②当边坡左侧位移加载50 mm时，花岗岩残积层边坡的桩身最大弯矩已经接近桩身极限弯矩，而强风化角岩边坡桩身最大弯矩已经超过极限弯矩，说明微型桩已经发生了弯曲破坏。③当边坡左侧位移加载30 mm以上时，第2排桩、第3排桩滑面处剪力与第1排桩剪力比值分别为0.64～0.88,0.48～0.75；滑体强度越高，三排桩整体受力性能越好，剪力比值越大。④滑体强度越高，三排钢花管桩加固效果越明显；同时滑坡推力的增加与三排桩滑面处最大剪力值基本一致。综上所述，对于尺寸相同的边坡，采取同样的加固措施，边坡土质越硬加固效果就越明显，而边坡土质越软加固效果就越差。

2.2 桩排数影响因素分析

以煤系地层边坡为地质条件背景，以桩间距1.0 m 为例，研究不同桩排数及桩布置方式对边坡加固效果的影响。选取纵向中间的一列桩为研究对象，由左向右分别为1#桩、2#桩和3#桩。

2.2.1 桩身水平位移

水平位移50 mm条件下单排、双排和三排桩桩身水平位移见图7。可知，单排或者多排微型桩的锚固段水平位移很小，滑坡段桩身水平位移由滑带向桩顶逐渐增大，最大水平位移发生在桩顶，约为38.85,37.94,36.90 mm；双排桩和三排桩桩顶位移保持一致，但双排桩中前排桩水平位移略大于后排桩水平位移；对于三排桩，桩身水平位移为最前排桩最大，向后依次减小。

图7 单排、双排和三排桩桩身水平位移

图8 单排、双排和三排桩桩身弯矩

2.2.2 桩身弯矩

不同地层条件下，桩间距为1.0 m的3种排桩模型在加载位移50 mm条件下的桩身弯矩见图8。可知，单排桩桩顶弯矩几乎为0；双排桩和三排桩桩顶存在一定的弯矩，双排桩前后两排桩弯矩为反向；三排桩中最前排桩与后两排桩弯矩为反向。这3种桩体的最大桩身弯矩均出现在滑带附近，其最大值分别为11.3，15.4，15 kN·m。而单桩极限抗弯承载力为24.3 kN·m，说明此时桩身并未发生受弯破坏。

2.2.3 桩身剪力

水平位移50 mm条件下单排、双排和三排桩桩身剪力见图9。可知，单排桩桩顶处几乎没有剪力，双排和三排桩桩顶存在较大剪力，前后两桩桩顶剪力方向相反，绝对值大小几乎相同，三排桩中间排桩桩顶剪力较前后两排桩小，单排、双排和三排桩桩身最大剪力发生在滑带附近，分别达到28.2，26.3，24.3 kN。而单桩极限抗剪承载力为260 kN，此时桩身剪力还远未达到破坏值。

图9 单排、双排和三排桩桩身剪力

2.2.4 滑坡推力与桩顶位移

不同排数的微型桩桩顶水平位移与滑坡推力的关系见图10。可知，随着加载水平位移的增加，桩顶位移逐渐增大。单排桩、双排桩和三排桩的桩顶位移曲线比较接近。3类不同排数的桩体在模拟试验过程中均远远小于桩体的极限抗剪承载力，说明桩体并没有发挥抗滑作用，这可能是由于第1类土(煤系地层)边坡岩质较软，微型桩加固效果并不明显的原因所致。

图10 不同滑坡推力下桩顶位移

2.2.5 结果讨论

通过对桩排数的数值模拟分析，可以得到：①微型桩群破坏模式为抗弯破坏，一般最大弯矩发生在滑面附近。破坏从第1排桩开始，并逐步向后排桩发展，此时桩身剪力通常远小于极限值。②随着桩排数的增加，桩身水平位移逐渐减小，弯矩和剪力的变化趋势不太明显，在滑面处弯矩和剪力的差别不大，均远远小于单桩极限抗剪承载力，说明桩体在滑坡推力的作用下并没有很好地发挥支挡作用，这可能是因为其在相对较软的地层中不太适用，建议在较硬的地层中使用。

3 结论

1)边坡滑体岩土强度越高，微型桩群与桩间土体整体移动趋势越强，各排桩之间位移差距越小；强度越低，钢花管桩群与土体之间相对位移越大，滑面以上桩身呈现整体倾斜型，各排桩之间位移差距加大。

2)边坡滑体岩土强度越高，桩身达到最大弯矩所需的加载位移越小。边坡滑体岩土强度越高，微型桩群能抵御滑坡推力越大。桩群抵御滑坡推力值与3排桩滑面附近剪力之和一致。第1、第2、第3排桩滑面处最大剪力比值为1∶(0.64～0.88)∶(0.48～0.75)，滑体越硬，第2、第3排桩相对第1排桩比值越大。

3)在软弱地层条件下，设置多排竖直微型桩群的加固效果均不明显，其最大弯矩和剪力均远远小于单桩极限抗剪承载力，说明桩体在滑坡推力的作用下并没有很好地发挥支挡作用，故在软弱地层不适宜设置多排竖直微型桩。