基于数值模拟的h型抗滑桩优化设计研究

2020-09-30何志俊

山西交通科技 2020年4期

何志俊

（山西省交通开发投资集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

h型抗滑桩结构整体具有抗弯刚度大、稳定性好，前后排桩协调效率高、受力形式合理，能够抵抗较大的滑坡推力，而且能起到收坡护脚的作用，在变形要求苛刻及地质条件复杂的工程中应用前景广阔[1-3]。关于h型抗滑桩承载变形机制与计算分析方面的研究，已取得了丰硕成果[3-7]：王羽，欧明喜等分别建立了h型抗滑桩内力计算模型[3，8]；欧孝夺等[4，8-10]通过试验、数值分析与现场监测探讨了基桩排距、桩间距、系梁刚度与嵌固深度等因素对h型抗滑桩承载变形特性的影响规律。

本文以岢临高速公路某大桥不良地质灾害为例，根据现场情况，采用数值模拟方法分析h型抗滑桩受力状态，并根据锚固深度和悬臂段长度变化影响下h型抗滑桩的工作状态，探索h型抗滑桩结构受力规律并优化结构设计。

1 工程概况及处治方案

1.1 工程概况

岢临高速公路某大桥处于黄土河谷岸坡地貌区，采用分幅设计，主线全长360 m，上部结构为9×40 m预应力钢筋混凝土连续T梁，下部结构为矩形墩身，基础采用直径1.2 m的灌注桩。由于受持续特大暴雨影响，大桥一侧桥台锥形护坡垮塌，桥台桩基础外露形成临空面，外露桩基长度达15 m（如图1所示），桩基外露导致其侧向受力不均衡，进而引发桩基倾斜承载力下降，甚至桩基倒塌。桥台处于黄土陡坡上，下端发育有“U”型冲沟，沟内有季节性流水，垮塌后剩余坡体坡脚受沟谷河流进一步冲蚀作用，使得整个坡体处于欠稳定状态。目前桥梁出现多处裂缝，大桥的运营安全受到严重威胁。

图1 桩基防护现场施工图

1.2 处治方案

桥址区为典型的黄土高原地貌，地层从上到下主要由第四系粉土及三叠系泥质砂岩组成。粉土中夹杂少量黏性土及钙质结核。泥质砂岩为强风化类型，厚层状构造。斜坡相对高差较大，高达50 m，属于典型的高边坡处治工程。

该不良地质工程治理措施关键在于稳定桥台隐患坡体和修复外露桩基两方面。结合现场及工程地质情况，支挡结构须满足以下两点：第一，“收坡”与“固脚”，这样不仅能够提供足够的作业空间减少施工难度而且对于工程安全也至关重要；第二，能够挡土并承受较大的滑坡推力。

首先采用人工挖孔方式进行h型抗滑桩嵌岩锚固段施工；然后在h型抗滑桩与外露桩基之间采用灰土分层填筑并碾压密实，恢复外露桩基侧的保护土层，使桩基受力重新达到平衡状态；最后，桩顶至桥台边缘之间采用1∶1.5放坡的形式恢复桥台锥形护坡结构。

2 数值模拟

2.1 模型建立

为模拟研究区h型抗滑桩的受力特性，建立研究区h型抗滑桩概化模型，如图2所示，运用COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件进行数值计算分析，研究h型抗滑桩在边坡治理工程中的受力特征。模拟计算时，选用弹塑性本构关系，坡体遵循Drucker-Prager准则，滑面服从Mohr-Coulomb屈服准则；桩-土和桩-滑床的摩擦系数分别设定为0.19和0.5。

h型抗滑桩为C30钢筋混凝土结构，具体参数见表1。h型抗滑桩几何参数：后排桩长42 m（阻滑段27 m，悬臂段13 m，锚固段15 m），前排桩桩长27 m（阻滑段12 m，锚固段15 m），两榀桩桩距5.5 m，前后排桩排距10.5 m；桩的截面尺寸a×b=2.5 m×3 m，横梁截面为2.5 m×2.5 m。

图2 研究区概化模型（单位：m）

表1 模型岩石力学参数

2.2 h型抗滑桩受力分析

图3为h型抗滑桩剪应力分布特征，图中显示，前、后排桩桩身与系梁交接处、连系梁及锚固段顶部附近均出现了显著的应力集中现象，以上部位在设计中应适当考虑强化结构设计。结构中最大剪应力约为1.5 MPa。对比发现，在h型抗滑桩相同高度上的前后排桩桩身应力分布规律基本相同，表明该种结构的协同作用效率很高。根据张永杰等[11]的研究结果，h型抗滑桩承载变形特性对悬臂长度更为敏感。而锚固深度对工程的成本影响最大。因此，为验证设计方案的合理性，对悬臂长度与锚固深度两个支护参数进行优化分析，以使h型抗滑桩结构承载变形及施工成本等方面达到最优状态。

图3 h型桩剪应力云图

3 h型抗滑桩结构承载能力优化分析

3.1 悬臂段长度

在其他参数不变的情况下，通过不断改变模型中悬臂段长度，进行数值计算，获得多组h型抗滑桩结构位移和弯矩值，并进行统计见表2所示。统计结果显示，悬臂段长度的变化对h型抗滑桩前后排桩桩顶水平位移和最大弯矩都有显著影响。图4为不同悬臂长度时桩顶位移变化，图中显示，随着悬臂长度的增加，后排桩桩顶位移呈现急剧上升趋势，而前排桩桩顶位移则逐渐减小。当悬臂长度过16 m时，后排桩桩顶位移有急剧增大的趋势，说明超过此临界值后后排桩桩顶位移可能难以有效控制。因此，悬臂段长度应控制在16 m以内，当悬臂长度为15 m时，桩顶位移为50.2 mm，符合规范要求。

表2 不同悬臂长度时前、后排桩顶位移及弯矩统计

图4 不同悬臂长度时桩顶位移

在本次模拟范围内，根据表2统计数据可知，随悬臂段长度的增大，后排桩最大弯矩（负弯矩）出现先下降后上升的趋势，前排桩最大弯矩（负弯矩）表现为缓慢的上升。考虑前、后排桩的协调性，仅绘制后排桩在不同悬臂段长度下的弯矩变化，如图5～图7所示。图中显示，后排桩的负弯矩出现在悬臂段根部（即与系梁交接部）及桩身锚固段顶部（即桩身与滑面接触处），悬臂段根部的弯矩值小于锚固段顶部的弯矩值，但随着悬臂长度的增大，二者的差距逐渐变小，图7中可以看出，当悬臂长度为18 m时，悬臂段根部的弯矩值超过了锚固段顶部值，说明悬臂长度过大时，悬臂端会因承受较大滑坡推力而发生弯曲破坏。悬臂段长度为15 m左右时弯矩分布更为合理。综上所述，悬臂长度设定15 m左右为合理的尺寸，此状态下h型抗滑桩结构稳定，悬臂段既可以承担桩后土体的作用力，又能保证锥形护坡的坡比。

图5 悬臂长度为12 m时后排桩弯矩

图6 悬臂长度为15 m时后排桩弯矩

图7 悬臂长度为18 m时后排桩弯矩

3.2 锚固深度

通过不断改变模型桩的锚固深度，其他参数不变（悬臂长度15 m），进行数值计算，得到多组结构位移和弯矩值数据，绘制不同锚固深度下后排桩桩身最大弯矩图，如图8所示，图中显示锚固长度从6 m到21 m，桩体的最大弯矩变化幅度较小，说明在一定范围内改变锚固深度对调整桩身弯矩贡献不大。

图8 不同锚固深度时桩身最大弯矩

图9 不同锚固深度时桩顶位移

由于桩的变形位移数据可测，因此后排桩的水平位移常作为衡量h型抗滑桩加固效果的标准之一。绘制不同锚固深度与后排桩最大水平位移之间的关系图，如图9所示，图中显示随锚固深度的增大，桩顶水平位移呈现先剧烈减小后基本稳定。当桩顶位移维持在某一值附近时，表明增大锚固深度对改善h型抗滑桩的承载性能作用不大。图中显示锚固深度12 m是一个临界值，锚固深度小于12 m时，可认为该状态下滑体以下稳定地层的抗滑作用得不到充分发挥，抗滑桩有可能发生倾覆破坏；锚固深度大于12 m时桩顶水平位移维持在60 mm左右，因此桩体锚固深度不应小于12 m，但也不能过大，当锚固深度为13 m时，桩顶水平位移为50.7 mm，因此研究区h型桩取锚固深度为13 m较为合适。

3.3 变形监测

2017年9月21日成桩，养护14 d后，在h型抗滑桩后排桩桩顶布设监测点，采用测斜仪定期采集桩顶水平位移，同时桩后开始填土施工，对施工全过程及施工完毕后一段时间进行变形监测。2017年10月20日填土完成，桥台锥形护坡修整完成，此时桩顶最大累计位移量达31 mm，符合设计和规范要求。通过为期两年的变形监测，后排桩桩顶位移监测结果见表3，桩顶最大累计位移为51.6 mm，表明h型抗滑桩在本工程中的治理效果显著。