h型抗滑桩边坡治理工程数值模拟研究★

管 永 伟

(山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030006)

h型抗滑桩具有抗弯刚度大，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和快速收坡护脚等优点[1，2]，因此在滑坡和高边坡治理工程h型抗滑桩具有更优的支护性能。

针对h型抗滑桩承载力变形和设计计算方法方面的研究，已取得了丰硕成果：王羽，欧明喜等[3,4]建立了h型抗滑桩内力计算模型。欧孝夺等[5-7]通过室内模型试验、数值模拟与现场试验及监测等方法探讨了h型抗滑桩承载变形特性，并给出了h型抗滑桩结构正常工作状态下时基桩排距、桩间距、系梁刚度与嵌固深度等参数的取值范围。申永江等[6]基于测斜数据反演抗滑桩工作状态。

本文以山西岢临高速公路某大桥桥台高边坡治理工程为例，采用数值模拟的方法对h型抗滑桩进行分析研究。

1 工程概况及处治方案

1.1 工程概况

山西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，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。目前桥梁多处出现裂缝，大桥的运营安全受到严重威胁。

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。支挡方案选择了h型桩结构，h型桩不仅能够“收坡”与“固脚”，而且能承受较大的滑坡推力。

杨义奎等[7]认为对于粘聚力为主滑坡体(比如硬塑黏土、土夹石等)，滑体变形呈现整体均匀向下蠕动，其滑坡推力可近似为矩形分布。研究区h型抗滑桩桩后的滑体为填筑的密实灰土(熟石灰与黏土以3∶7的形式混合)，呈硬塑状态，因此滑坡推力考虑为矩形分布，按传递系数法进行计算，计算参数见表1(根据室内土工试验结果)。最终确定设计参数：h型抗滑桩为C30钢筋混凝土结构。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6.5 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。

表1 研究区岩石力学参数

2 数值模拟

2.1 模型建立

建立研究区h型抗滑桩概化模型，如图1所示，图1中模型尺寸按照研究区实测参数设置。运用COMSOL Multiphysics有限元数值模拟软件进行数值计算(计算参数见表1)，对工程案例进行系统分析。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。假设坡体、滑面、泥质砂岩为均匀、弹性各向同性连续介质；计算边界条件为：底部边界采用固定约束；前后、左右边界分别施加x和y方向水平约束；坡体表面为自由边界；初始应力为坡体自重。

2.2 h型抗滑桩受力分析

图2为h型抗滑桩剪应力分布特征，图2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，属于薄弱构造部位，在设计中应适当注意配筋验算和结构优化。结构中最大剪应力约为1.5 MPa，出现在锚固段顶部附近。图2中还显示相同高度上的前后排桩桩身应力分布规律基本相同。将h型抗滑桩前、后排桩桩身水平位移数据提取，并绘制曲线，如图3所示，图3中显示，桩身侧向位移量随距桩顶距离的增大逐渐减小，但减小速率逐渐变缓。前、后桩桩顶水平位移分别为14.8 mm和48 mm，结构变形小，表明h型抗滑桩结构整体体系具有强大的抗变形的能力。对比发现，相同高度水平上的前后排桩桩身最大位移差相差很小，仅为2.2 mm，和相同高度上前后排桩桩身应力分布规律基本相同特征吻合，因此h型抗滑桩具有的前后排桩结构具有高效协同工作的能力。

为对比桩身内力分布的数值模拟值与理论计算值，绘制结构体系中后桩的弯矩分布图，如图4所示，图4中显示，后桩弯矩的数值计算结果与理论值分布规律相似，说明数值模拟结果可靠，总体上数值模拟值均略小于理论值，说明数值模拟更能真实表达工程实际情况。

3 变形监测

通过在h型抗滑桩后排桩内预埋测斜管，采用测斜仪获取桩身的侧向位移数据。通过分析监测数据获得抗滑桩的工作状态，评价h抗滑桩结构的抗滑效果。2017年9月21日成桩，养护14 d后，桩后开始填土施工，对填土施工全过程及施工完毕后一段时间进行变形监测，采集桩身侧向位移直至变形位移稳定。选取一根典型桩的侧向位移监测数据如表2所示。从表2中可以看出，随着距桩顶的距离的增大，桩身的侧向位移逐渐减小，桩身在锚固段顶部与基岩接触部位基本没有产生位移，监测数据表明该桩工作状态良好。

表2 后桩实测侧向位移

统计部分桩桩顶最大水平位移数据如表3所示。2017年10月20日填土完成，桥台锥形护坡修整完成，表3中显示此时桩顶最大累计位移量达31 mm。之后对抗滑桩进行为期2年的变形监测，结果表明，至2018年10月份桩顶最大累计位移量增加到51.6 mm，此后到2019年10月份相当长时间内桩顶位移量不再增加，说明h型抗滑桩在本工程中的治理效果显著。

表3 后排桩桩顶位移监测结果 mm

4 结语

结合典型工程实例，对采用数值模拟的方法对h型抗滑桩设计参数进行研究，得到如下结论：

1)数值模拟得到的h型桩结构受力特性，表明该结构前后排桩结构具有高效协同工作的能力。与理论计算值相比数值模拟结果更能真实表达工程实际情况。

2)h型抗滑桩变形监测数据与数值模拟数据具有较高的吻合。监测数据表明，桩体结构处于稳定状态，说明h型抗滑桩在本工程中的治理效果显著。