H型抗滑桩治理边坡的效果评价

刘 松，王 晨，武兰蕊

（徐州市铜山区水利工程建设中心,江苏 徐州 221000）

1 前言

H型抗滑桩因其阻滑效果佳而被工程界广泛应用,对此学者们也进行了大量的研究,管永伟[1]通过数值模拟对H型抗滑桩进行了研究,研究结果表明：H型抗滑桩的阻滑效果较为明显。赵玉博等[2]对H型抗滑桩的支护效果进行了研究,研究结果表明：H型抗滑桩的支护效果较单桩要好得多,尤其是控制边坡位移方面。王晨涛等[3]结合广东某边坡对H型抗滑桩的内力进行了研究,研究结果表明：以弹性地基梁法计算的H型抗滑桩内力,与实际更加符合。何志俊[4]结合数值模拟对H型抗滑桩进行了研究,研究结果表明：确定了滑动面,对于H型抗滑桩的优化设计更有益。于航[5]对H型抗滑桩从理论、实践进行了系统的研究,研究结果表明：在治理大中型滑坡方面,H型抗滑桩的效果较明显。李卿[6]对H型抗滑桩进行了数值模拟研究,研究结果表明：不同的截面形状,H型抗滑桩的受力不同。杨为品[7]对H型抗滑桩和普通单桩的治理滑坡的效果进行了研究,研究结果表明：H型抗滑桩的治理效果更佳。贺雄[8]通过数值模拟软件,对H型抗滑桩的设计进行了优化,并提出了优化设计的具体方案。

然而以上的研究仅对常规的滑坡或边坡进行了研究,若坡体不允许进行坡面防护,只能在坡脚处进行治理,此种防治措施该如何设计？针对此类边坡,本文采用H型抗滑桩进行治理,通过对坡体的位移、H型抗滑桩的受力、支护后边坡的整体稳定性进行研究,以此评估H型抗滑桩治理边坡的有效性。

2 工程概况

某边坡开挖后坡脚处出现微裂缝,现对裂缝进行灌浆处理,见图1,因坡面由于特殊需要不易施加任何坡面防护措施,因此选择H型抗滑桩对边坡进行加固,本文的重点在于边坡的治理,暂不考虑土拱效应[11-14]。

图1 边坡示意图

经过地质勘察可知,边坡主要由风化土、风化岩和硬岩组成,此三种岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

选择MIDAS对边坡进行数值模拟的研究,风化土选择莫尔库仑模型,风化岩和硬岩选择弹性模型,H型抗滑桩长边长度为16 m,短边长度为8 m,横梁长度为3 m,H型抗滑桩选择弹性模型进行建模,弹性模量为3.6×109 kN/m2,泊松比为0.21,数值模拟共计14362 个单元、13448年节点,数值模拟计算至边坡稳定时停止。

3.2 模拟的结果

3.2.1 边坡的总体位移

数值模拟计算结束以后,边坡的总体位移见图2。

图2 支护边坡后的总体位移（单位：m）

如图2所示,边坡的最大位移是7.5 mm,位于风化土区域,风化土区域62%岩土体的位移超过3 mm,说明此处区域是防治的重点,边坡岩土体55%位移是小于1 mm,说明边坡的防治重点不在于风化岩和硬岩区域。

3.2.2 H型抗滑桩的受力

边坡稳定后,H型抗滑桩所受的轴力见图3,由图3可知,靠近边坡的桩所受的轴力较大,最大为3.9 MN,靠近路面的桩所受的轴力数值均较小,最大轴力为3.5 MN,横梁所受的轴力最大值为2.1 MN,三者受力较为均匀,说明H型抗滑桩分担轴力的同时,也达到了抗滑的效果,其构造较为合理。

图3 H型抗滑桩所受的轴力（单位：kN）

由H型抗滑桩所受轴力的数值可知,靠近边坡桩的受力最大,应当加强此处桩体的强度,同时可适当减少靠近路面桩的强度,以此达到节约工程造价的目的。

H型抗滑桩所受的剪力见图4,最大的剪力位于横梁处,数值为5.2 MN,比例占整个H型抗滑桩16%,从另一个方面也说明了横梁确实起到了传递力的作用。靠近边坡桩的受力普遍大于另外一根桩,说明了此桩的强度可适当加强,而另一根桩因为受力较小,强度可适当降低。

图4 H型抗滑桩所受的剪力（单位：kN）

抗滑桩所受的弯矩见图5,由弯矩图可知,弯矩最大处位于靠近坡体桩的下半部位,数值最大达到18 MN·m,超过10 MN·m的弯矩占整个H型抗滑桩的19%,但是数值并没有达到H型抗滑桩的极限承受弯矩,满足工程稳定性的目的。

图5 H型抗滑桩所受的弯矩（单位：kN·m）

从H型抗滑桩所受的弯矩可知,靠近坡体的桩所受弯矩依然最大,因此可适当加强此段抗滑桩的强度。

3.2.3 边坡的稳定性

边坡计算结束后,剪应力变化区见图6,由剪应力的变化区可知,剪应力区并未贯通,说明H型抗滑桩确实起到了防止边坡进一步滑动的目的,剪应力作用于H型抗滑桩时,正处于H型抗滑桩的中部区域,说明H型抗滑桩的长度设计是合理的。

图6 暴雨工况下边坡的剪应力区

暴雨工况下,支护后边坡的安全系数为1.41,此安全系数界于1.4～1.6之间,满足工程对稳定性的需求。

调用MIDAS GTS的自动搜索滑动面的功能,搜索出的滑动面见图7。由图7可知,剪应力于H型抗滑桩区域并没有发生应力集中的现象,应力较为分散,说明H型抗滑桩起到将剪应力集中于桩体周围,并扩展至周围岩土体,避免了应力集中,起到了良好的阻滑效应。

图7 暴雨工况下边坡的滑动面

3.2.4 数值模拟总结

（1）边坡总体的最大位移为7.5 mm,小于工程要求的20 mm,从位移的角度分析可知,H型抗滑桩在位移方面是达到了治理的效果。

（2）H型抗滑桩所受的轴力、弯矩和剪力数值均小于其极限值,说明H型抗滑桩的强度是满足要求的；另一方面,靠近坡体的桩的受力明显较靠近路面的受力小,说明靠近坡体的桩的强度应当适当加强,同时也可适当减小靠近路面桩的强度,以节约工程造价。

（3）支护完成后的边坡整体稳定性为1.41,达到工程要求的范围,说明治理措施是有效的,治理效果满足工程要求。

4 结论

边坡因特殊要求不允许在坡面进行防护,一定程度上将防护的压力转移至坡脚处,工程师在设计上采用的是H型抗滑桩,经过数值模拟研究,研究结论如下：

（1）施加H型抗滑桩以后,边坡的整体位移不超过20 mm,避免了坡体进一步移动,控制了坡体的位移。

（2）H型抗滑桩所受的剪力、弯矩和轴力,均控制在合理的范围内,从受力的角度分析,靠近坡体的桩的受力普遍大于靠近路面的桩,从造价的角度上分析,可适当加强靠近坡体桩的强度,降低靠近路面桩的强度,以达到节约工程造价的目的。

（3）边坡的安全系数控制在合理范围内,说明H型抗滑桩达到了治理边坡滑动的目的,且H型抗滑桩将剪力分散于岩土体中,避免了应力集中。

（4）本文的研究可供坡面不加任何支护坡体的防护,对于坡面需要防护的坡体,则有待进一步研究。