H型抗滑桩支护开挖边坡的数值模拟研究

顾博凯

(辽宁凌河水利电力建设有限公司，辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

随着国家经济的不断升温，越来越的工程项目应运而生，H型抗滑桩近年来被大量应用于工程实际中，对此学者们也进行了大量的研究，李洋等分析矩形、三角形和梯形土压力作用下h型桩的受力特征，并通过数值模拟对H型抗滑桩的受力进行了研究，研究结果表明：应当结合不同的土压力合理设计桩的截面形式[1]。许佳佳等利用数值模拟并结合桩-土相互作用效果，对H型抗滑桩进行了研究，研究结果表明：H型抗滑桩的排间距、桩长、桩排距等，应当结合不同的桩土性质进行优化设计[2]。王羽等利用FLAC3D对H型抗滑桩的受力进行了研究，研究结果表明：不同形状的H型抗滑桩的受力和弯矩是不同的[3]。李卿分析了H型抗滑桩的应用范围，并通过截面形状、布桩方式对H型抗滑的受力进行了研究[4]。吴维义以西部某多级滑坡为例进行研究，利用H型抗滑桩对滑坡进行治理，并通过位移、受力对H型抗滑桩进行监测，监测结果表明：H型抗滑桩达到了治理滑坡滑动的目的[5]。张永杰等结合H型抗滑桩的阻滑能力，对其进行了系统的研究，并提出了H型抗滑桩的简易受力方法，通过工程实践可知，此简化的受力方法能够应用于工程实际[6]。张永杰等采用锚索+H抗滑桩的支护方式对滑坡进行治理，并提出了H型抗滑桩的内力计算公式，并通过工程实践可知，此计算方式较为保守，能够达到治理滑坡滑动的目的[7]。王继晟等对比了H型抗滑桩和单桩的受力方面的区别，对比结果表明：H型抗滑桩在剪力和弯矩方面优于单桩，但是从工程造价方面逊于单桩[8]。刘新荣等通过室内物理实验对H型抗滑桩进行了研究，研究结果表明：不同的锚固深度和桩间距，H型抗滑桩的受力是不同的[9]。柳治国等认为对于H型抗滑桩的设计需要结合滑坡的特点进行分析，只有分析清楚了滑坡的受力特点，才能更加优化的设计H型抗滑桩[10]。

然而以上的研究没有涉及仅用H型抗滑桩进行支护的情况，针对此类情况，文章首先进行工程地质勘察，调查边坡区工程地质性质，再结合数值模拟软件对边坡及其支护措施进行建模，最近通过分析坡体的位移和稳定性，对H型抗滑桩的支护效果进行评价。

1 工程概况

如图1所示，该边坡位于山东地区，边坡区域因水利工程建设的需要，将对边坡进行坡脚处的开挖，开挖后坡脚处出现了拉裂缝，因此急须对边坡进行加固，主要研究H型抗滑桩的支护效果，暂不考虑土拱效应的影响。

图1 未开挖的边坡

经地质勘察可知，边坡主要由风化土和硬岩组成(图2)，岩土体的物理力学性质如表1所示。

2 剩余下滑力的计算

结合地质勘察的结果，将边坡的滑动面描述如图2所示，滑坡推力的计算按照瑞点条分法开展，将潜在滑动面区域划分为11个条块，计算结果如表2所示。

表1 岩土体物理力学参数

图2 边坡坡面断面图

表2 暴雨工况下的剩余下滑力

由表2可知，第9块条块处为坡体的抗滑段，由此可推断挖掉的坡脚也为抗滑区域，当坡脚被挖掉以后，滑坡推力将明显增大，再者会形成一个剪力口，两者作用下导致了滑坡的产生。坡脚处经计算后的滑坡推力为3130.7 kN.m-1，此推力数量较大，一般的抗滑桩阻挡不了此推力，因此选择H型抗滑桩进行支护。坡面区域农民将种植庄稼或经济作物，不适宜布置坡面防护措施。因此仅选择H弄抗滑桩进行支护，坡面不采取任何防护措施。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

因MIDAS GTS能够较好的模拟边坡受力，因此选择此数值模拟软件对边坡进行研究。

图3 边坡数值模拟剖面图

如图3所示，为保证节点力传递和计算的有效性，将潜在滑动面区域按照1m进行网格划分，风化土的其他区域按照2.5m进行网格划分，硬岩按照3m进行网格划分。统一选择混合四面体网格进行划分，同时保证网格是相互耦合。

风化土和硬岩均选择平面应变单元，H型抗滑桩选择梁单元，H型桩抗滑桩选择弹性类型，弹性模量为3.2×109kN/m2，泊松比为0.2，数值模拟共计12364个单元、12428年节点，数值模拟计算至边坡稳定时截止。

3.2 模拟的结果

3.2.1 边坡的位移

施加H型抗滑桩以后，边坡的水平位移和竖向位移如图4和图5所示。

图4 边坡的水平位移(单位：mm)

由图4可知，暴雨工况条件下，边坡的水平位移主要集中于风化土区域，此区域的最大的水平位移为4mm，仅占整个岩土体区域的6.0%，结合工程要求可知，最大的允许位移为20mm，此水平位移完全控制在合理的范围内，不会对边坡的开挖造成不良的影响。

图5 边坡的竖向位移(单位：mm)

由图5可知，边坡的竖向位移主要集中于潜在滑动面上部区域和开挖坡脚，与实际边坡的监测结果一致。边坡的最大的竖向位移为2.6mm，此竖向位移主要集中于风化土区域，且仅占整个坡体岩土体的4.6%，79%的岩土体的竖向位移不超过2mm，说明施加H型抗滑桩以后，边坡的竖向位移控制在合理的范围内。

结合图4和图5位移的结果可知，施加H型抗滑桩以后，边坡的水平位移和竖向位移最大不超过5mm，远小于工程要求的最大的位移值20mm，且超过70%的岩土体的水平位移和竖向位移甚至不超过4mm，说明施加H型抗滑桩治理边坡滑动是合理的，达到了工程的位移要求。

3.2.2 边坡的稳定性

统计此地区近10a来最大暴雨值，将此值代入至数值模拟中模拟暴雨工况，模拟的结果如图6和图7所示。

图6 暴雨工况下的边坡稳定性

如图6所示，在暴雨工工况条件下，边坡的潜在滑动面并没有形成，滑动面仅集中于风化岩与硬岩的交界面，此模拟结果与工程实际相吻合，一般来说潜在滑动面多出现于岩土交界面处，一定程度上也可以说明数值模拟的潜在滑动面是合理的。

此滑动面并没有贯通，剪应力区域主要集中于岩土体交界面，安全系数为1.53，此安全系数满意工程需要。坡脚处并没有出现应力集中，说明了H型抗滑桩将力更多地进行了均匀分散，达到了治理边坡的目的。

4 结 论

边坡在暴雨工况下坡脚发生了开裂，同时坡面因为须种植农作物的需要，不能施加坡面防护措施，因此只能通过施加H型抗滑桩进行治理，对于治理效果进行了数值模拟研究，研究结论如下：

1)暴雨工况下边坡的水平位移和竖向位移均不超过5mm，70%以上的岩土体位移甚至不超过2mm，远小于工程允许的位移值，满意工程稳定性的要求，此位移不会对边坡造成不良的影响。

2)暴雨工况下施加完H型抗滑桩以后，边坡的安全系数为1.53，边坡的滑动面并没有贯通，坡脚处没有发生应力集中的现象，说明了施加完成的边坡的稳定性是满意工程要求的，说明H型抗滑桩达到了治理边坡进一步滑动的目的。

3)文章可供暴雨工况下边坡施加H型抗滑桩的治理提供参考，没有考虑地震工况和存在大量地下水工况下的边坡治理，此方面的研究有待进一步深入。