门架式双排抗滑桩承载变形特性影响因素分析★

朱 蒙 蒙

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

1 概述

门架式双排抗滑桩在边坡防护领域正逐步推广应用，是一种极具潜力的结构形式[1,2]。是一种空间组合类支护结构，这种结构没有内支撑(见图1)，通过发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，与桩间土协同工作来抵抗滑坡体中的剩余下滑力，以控制滑坡体变形。目前，对门架式双排桩承载变形影响因素的研究还比较少。申永江等[8]提出一种计算前后排抗滑桩内力的计算方法。张永杰[9]提出了h型抗滑桩简化计算方法，并对其承载变形的影响因素进行了分析。周翠英等[10]建立出了求解门架式双排抗滑桩内力的力学模型并分析了结构设计理论。

本文在现有研究的基础上基于数值仿真，结合万福垴后山滑坡防治工程，利用ANSYS有限元软件系统分析设计参数对双排桩承载变形的影响规律。以确定门架式双排桩在滑坡治理工程应用中排间距、锚固深度、连梁刚度等设计参数的最优取值，为类似的滑坡治理提供借鉴。

2 工程实例与建模

2.1 工程概况

万福垴后山滑坡位于宜昌高新区白洋工业园区紫云铁路雨水箱涵K0+226.1～K0+369.1段，滑坡体前缘宽度约为40 m，后缘宽度约为23 m。变形体长度约40 m，变形面积约1 440 m2，变形体平均厚度约4.0 m，现变形方量约5 760 m3，属小型滑坡体。该滑坡体地表可见大量近似平行拉裂缝，其中在居民楼前一条裂缝延伸长度约61 m。

滑坡采用门架式双排抗滑桩进行治理，设计尺寸为：前排桩桩长17 m～19 m，后排桩桩长18 m～21 m，前后排桩直径D=2 m，连梁尺寸1 m×2 m；前后排桩间距4 m，桩基列距4 m～7.5 m；抗滑桩材料采用HRB400钢筋，C30混凝土。

2.2 仿真分析模型

在建立有限元模型时，把前后排抗滑桩看做整体置于滑坡体中，用Plane42单元模拟桩，桩、土接触面和滑带接触面采用目标单元为Targe169，接触单元为Conta172。滑体、滑床以及滑动面均遵循德鲁克—普拉格(Drucker-Prager)准则处理，但不同土体其粘滞系数C和内摩擦角φ不同。

在滑坡体的前缘布设1号、2号上下两个观测点，滑坡体的中部和后缘分别布设3号、4号观测点，如图2所示。通过创建ANSYS的路径操作，将滑面以上桩的位移结果映射到路径上，提取出前后桩的桩身应力和水平位移数据。

3 仿真结果分析

3.1 锚固深度对承载变形的影响

抗滑桩的支挡作用主要依靠滑面以下滑床基岩对抗滑桩的锚固作用，因此抗滑桩锚固段的长度直接影响到边坡的加固效果。锚固段太短，受到滑坡较大的剩余下滑力时容易整体失稳进而边坡加固失效。锚固段太长，不但增加工程费用和工期，也加大了施工难度。为探究合理的锚固深度，分别用锚固深度为6 m,8 m,10 m,12 m(即桩长h的1/3～2/3)的抗滑桩进行数值仿真，进而分析边坡位移、桩身位移与应力状况，以确定合理的锚固深度。

由图3可知，锚固深度由6 m增至10 m时，滑坡体位移下降较快，四个标记点1号、2号、3号、4号的位移分别减小5.15 mm，4.09 mm，4.74 mm，3.35 mm，四个点处位移平均减小17.25%。锚固深度由10 m增至12 m时，四个标记点位移分别减小0.61 mm，0.31 mm，0.33 mm，0.22 mm。四个点处位移平均减小仅1.35%。

图4a)，图4b)是锚固深度为8 m时前后排桩在滑动面以上的位移和应力云图，从图中可知，抗滑桩的最大位移在桩顶，滑动面以上的桩身应力集中在转角处。由图4c)可知，前排桩的位移要略大于后排桩的位移，这可能是由于前排桩在滑动面以上的悬臂部分要更大一些，在桩顶受力相等时其挠度要更大一些。随着桩的锚固深度增加，前后排桩位移先减小到一定值后基本保持不变。当锚固深度由6 m增大至10 m时，前后排桩桩顶水平位移分别减小了12.4%，11.2%，当锚固深度由10 m增大至12 m时，前后排桩桩顶水平位移分别减小1.2%，0.9%。另外，锚固深度的增加桩身的最大应力会有所增加，达到一定值后保持不变。这是由于桩身的整体长度增加引起的。因此，在设计门架式双排抗滑桩时，锚固深度宜取桩长的1/2。

3.2 连梁刚度对承载变形的影响

对于门架式双排抗滑桩，连梁使前后排桩构成统一的整体，前后排间主要依靠连梁和桩间土进行力的传递。由于前后排桩通过连梁合理分配滑坡剩余下滑力，所以双排桩才抵抗力大、桩身位移小。因此有必要对连梁刚度进行计算分析，以确定连梁的设计参数。建立连梁刚度分别为0.5EI，1.0EI，1.5EI，2.0EI(EI为前后排桩的刚度)的抗滑桩模型，仿真计算连梁刚度对滑坡体位移、抗滑桩位移应力的影响规律，以此得到合理的连梁刚度范围。

图5结果表明，随着连梁刚度的不断增加，坡体位移量逐渐减小，但减小的幅度也越来越小。当连梁刚度由0.5EI增至1.0EI时，滑坡体位移下降较快，四个标记点1号、2号、3号、4号的位移分别减小3.25 mm,2.6 mm,3.1 mm,2.2 mm，四个点处位移平均减小11.45%。锚固深度由1.0EI增至2.0EI时，四个标记点位移分别减小1.45 mm，0.75 mm，1.34 mm，0.82 mm。四个点处位移平均减小仅3.39%。连梁刚度由0.5EI增加至1.0EI时，坡体位移减小较多，边坡加固效果明显，这说明连梁刚度在0.5EI～1.0EI内变化时，通过增加连梁刚度来阻止滑坡体变形是较有效的。

根据图6可知，前后排桩的位移变化趋势基本相同，随着连梁刚度的增大，桩体的位移不断减小，但减小的幅度也越来越小。其中连梁刚度由0.5EI增大到2.0EI时，前后排桩桩顶水平位移分别减小了26.4%，27.5%，当锚固深度由1.0EI增大至2.0EI时，前后排桩桩顶水平位移分别减小11.2%，12.3%。另外，考虑到抗滑桩的构造，连梁宽度尽量等于桩基直径，因此，在进行抗滑桩设计时，连梁刚度在1.0EI～1.5EI比较合适。

4 结语

本文利用ANSYS有限元软件建立了万福垴后山滑坡仿真模型，系统分析了门架式双排桩前后排间距、锚固深度、连梁刚度等主要因素对抗滑桩承载性能的影响。根据分析结果主要结论如下：1)锚固深度太短不利于结构的安全，而太长又造成浪费。仿真结果表明，锚固深度超过桩长的1/2时，对桩顶和滑坡位移基本无影响。因此，在桩身长度设计时，锚固深度建议取1/2桩长；2)连梁刚度超过桩基刚度1.0倍时，对抗滑桩的承载性能影响较小。并考虑到经济合理性及构造特性，连梁刚度宜为1.0倍的桩基刚度。