基于Midas/GTS的抗滑桩支护参数优化研究

2023-02-28羊金贤

北方交通 2023年2期

羊金贤

(海南路桥工程有限公司三亚市 572000)

0 引言

抗滑桩作为边坡处理的有效手段，特别是限制滑坡土体的位移，发挥了良好的效果。郭曜欣[1]对抗滑桩埋设位置进行了探讨，主要采用有限元分析软件，模拟了抗滑桩不同的埋设部位，得出抗滑桩埋设于中部最有利于边坡的稳定。但对于抗滑桩埋设部位还存在一定的争议，戴自航等[2]通过对工程实例的分析，认为抗滑桩的位置应在边坡下部。任志丹等[3]对边坡支护参数进行了研究。抗滑桩的锚固深度和截面尺寸的拟定对边坡的整个安全稳定、工程施工进度、工程费用都有着重要的作用。目前，大多数设计单位对抗滑桩的设计主要是以单桩计算为主，在单桩设计中各项参数满足工程要求后，再进行排桩或组合计算，最终得到设计方案。这种设计过多地考虑单桩本身的承载特性，在一个点上进行设计，对于抗滑桩的排列形式的组合研究不够深入，相当于多出了一部分安全储备，设计偏于保守且无法真实反映抗滑桩的实际受力状态。以Midas/GTS为平台，对抗滑桩的锚固深度和截面尺寸进行模拟分析，以求得到最合理的抗滑桩参数。

1 工程概况

工程项目位于海拔2300m的某高速公路K12+610～K12+750段，该路段整体地势西高东低，路段位于山谷之间，高差大于300m，坡体趋于垂直陡峭，形成多处滑坡危险点，对工程的进度造成了很大的影响。根据地勘报告，工段地层主要有三层：

(1)上第三系中新统泥岩：深红色泥岩、泥质粉砂岩，厚层状，主要成分为黏土和蒙脱石。

(2)第四系上更新统卵砾石层：灰色卵砾石，椭圆状。填充物为细、粉土等，夹杂着角砾、漂石等，抗压强度高，层厚2～18m。

(3)第四系全新统堆积层：褐色粉土、黏土，塑性良好，上部夹杂植物根系，下部为碎、卵石，层厚3～22m。

本次数值模拟计算选取路段的最不利截面K12+580断面，如图 1所示。边坡的天然地面线较陡，上层土体为厚度13m的杂填土，中间层为厚度14m的风化土，下部土体为厚度18m的泥岩。边坡在自然状态下，顶部卵砾石经过风化剥蚀形成崩塌、落石，局部已经出现失稳的表征，必须采用工程措施进行治理。根据工程的具体情况，为保证边坡的稳定性，初步拟定的方案为，边坡上部进行削坡减载，下部进行填筑，边坡坡率为1∶1.25，每级边坡的坡高均为8m，并在坡级之间设2m宽的马道，在边坡中下部设置抗滑桩进行支护。

图1 边坡断面图(单位：m)

2 Midas/GTS数值模拟分析

2.1 模型的建立

Midas有限元数值分析在土木工程领域得到广泛运用，如迪拜塔、北京奥运会场馆、韩国世界杯场馆等。对于边坡方面的综合分析，主要采用极限平衡法和强度折减法。强度折减法的本质与极限平衡相同，在计算过程中通过对土体的抗剪强度参数进行多次折减、迭代，减小土体的抗剪强度，直至最后土体失稳，此时的折减系数就是边坡安全稳定系数。本次的模型计算分析，选用强度折减法(SRM)进行计算分析。

本次边坡的模拟分析共有3个土层，如图 1所示，分别为杂填土、风化土、泥岩。表层土体和风化土为滑动土体，与边坡稳定性的相关性较大，因此在建立模型的时候应该对其网格的划分有所区别，拟定对杂填土、风化土、泥岩的网格密度划分分别为1m、2m和3m。建模后，对边坡的稳定性进行运算，找出边坡潜在滑动面的大致位置，以便抗滑桩的设计，如图 2所示。从图中可以看出，削坡后边坡的潜在滑动面主要位于杂填土和风化土的岩层分界面上，此时的边坡安全稳定系数为1.12，未达到规范要求的边坡安全稳定系数1.3，需对边坡采取加固措施。项目拟对边坡采用抗滑桩进行治理，提高边坡的稳定性。根据削坡后其潜在滑动面计算结果，拟定在边坡的中下部实施抗滑桩。

图2 边坡有效塑性区云图

本次数值模拟计算拟对抗滑桩的锚固段长度和截面尺寸进行模拟分析，根据相关的工程经验，抗滑桩的锚固深度取值为8～14m，每种工况间隔2m；截面尺寸分为三种，编号①、②、③，分别为1.2m×1.5m、1.5m×2m、2m×2.5m，共计12种工况进行计算。

在模型计算中，主要对边坡的稳定性和抗滑桩的受力状态进行分析。建模中土层的本构模型均为摩尔—库伦本构模型，抗滑桩则为弹性本构模型，根据地质勘察报告，本次模型计算中具体参数如表 1所示。

表1 模型计算材料参数表

2.2 计算结果分析

2.2.1边坡安全稳定系数分析

根据Midas/GTS的计算结果，其中12种工况下的边坡安全稳定系数如表2所示。

表2 边坡安全稳定系数表

表2中的计算结果中的边坡安全稳定系数除个别工况外，均符合规范大于1.3的要求。从计算结果可知，边坡的安全稳定系数受到抗滑桩锚固深度和截面尺寸的影响，将表中数据进行整理绘制成图，如图3所示。

图3 边坡安全稳定系数

通过对表2和图3的结果分析，可以得到以下结果：

在截面尺寸和锚固深度的变化过程中，边坡的安全稳定系数在相应的变化，其中最小值为1.28，最大值为1.41。边坡未施加抗滑桩时的边坡安全稳定系数为1.12，边坡的稳定性从欠稳定状态到达了稳定状态。这说明抗滑桩的实施是有效的，这也符合抗滑桩的支护机理，抗滑桩的主要作用机理体现在抗滑桩、滑动土体、滑床之间的耦合共同作用，其关键是在抗滑桩的桩与桩之间形成有效的土拱，将滑动土体通过抗滑桩与滑床相互作用，桩间的应力能够很好地传递至桩上，从而达到抗滑的目的。

横向对比，抗滑桩锚固长度的增加，会提升边坡安全稳定系数值，提高边坡的安全稳定性，增长幅度最大的区段是锚固长度由8m增加到10m时。但从图像曲线的线型得知，抗滑桩长度的增长与边坡安全稳定系数增长是非线性的，边坡安全稳定系数的增长率在逐渐降低，最后随抗滑桩锚固长度增加而趋于水平，这种结果说明抗滑桩锚固长度的增长对边坡安全稳定系数的影响有一定的局限性，存在一定的阈值。合理地增加抗滑桩的锚固长度对提高边坡的稳定性是有利的，这也符合抗滑桩的作用机理。

纵向对比，抗滑桩截面尺寸的变化是影响边坡稳定的因素。截面①的尺寸最小，截面③的尺寸最大。整体而言，在同一锚固长度时，边坡的安全稳定系数随截面的增大而增大，增大的最大幅值区间在截面①至截面②时。而截面②变化到截面③时，边坡的安全稳定系数变化较小。这说明抗滑桩截面的变化对边坡安全稳定系数的影响有一定的局限性，不能完全依靠截面尺寸的增大来提高边坡的稳定性，存在一定的阈值。合理地增加抗滑桩的截面尺寸对提高边坡的稳定性是有利的。

2.2.2边坡位移分析

边坡安全稳定系数可以反应边坡的稳定性，但长期的边坡稳定，还需要结合边坡的位移情况进行综合判定。

各个工况下的水平位移云图都类似，选取锚固深度为10m，截面②工况的水平位移云图进行分析说明，如图 4所示。从云图的结果可以得出，施加抗滑桩支护后，边坡的水平位移云图与自然削坡后的云图不同，施加抗滑桩后，边坡的水平位移最大区域集中在抗滑桩顶部的临近区域，水平位移最大值为8.65cm。这说明，抗滑桩、滑动土体、滑床三者之间相互作用，改变了原有土体的滑动状态，抗滑桩在受到滑动土体的作用下，对滑动土体进行了抵抗，阻止了土体的滑动，达到可抗滑的目的。

图4 水平方向位移云图

对于边坡竖直方向的位移情况，经过对各个工况计算结果的分析，施加抗滑桩前后，竖向位移的分布情况发生了变化。施工前，竖向位移整个沿着坡面变化，最大的竖向位移位置出现在坡脚处的最后一级边坡中部。施工后，边坡的竖向位移进行了重新分布，变化最大的区域集中在抗滑桩顶部边缘，最大值为2.8cm。这样的分布结果与水平方向的位移结果类似，这也验证了抗滑桩在维持边坡稳定性的有效性。

2.2.3抗滑桩受力分析

在抗滑桩的设计中，除了要保证整体结构的安全性(边坡稳定)，抗滑桩还应满足自身的稳定性、强度、刚度要求。在受到外力作用时，所产生的应力、位移和变形都能达到设计要求。因此，对抗滑桩的受力分析很有必要。

提取Midas/GTS对抗滑桩剪力和弯矩的计算结果，各个工况的图示情况类似，取其中代表性的工况进行绘制。如图 5、图 6所示，图例中8-2表示锚固长度为8m，截面为②(1.5m×2m)的工况，其余图例名称情况类似。

从图5可知，抗滑桩的整个剪力分布情况是沿着桩顶往下，剪力的大小在逐渐增大。在抗滑桩的下半部分，剪力出现反向的情况，这与滑动土体的滑动面有关，抗滑桩的顶部距潜在滑动面的距离约为10m，而剪力反向变化截面在距离桩顶16m位置处，说明此处应为抗滑桩在强度设计中的重点位置。同时，随着抗滑桩锚固长度的增加和截面尺寸的增加，剪力值有减小的趋势。

图5 抗滑桩剪力图

从图6可以得知，抗滑桩的弯矩值随锚固长度和截面尺寸的增长而减小。抗滑桩的弯矩值沿着桩顶至桩底逐渐增大，弯矩值在距桩顶16m处出现峰值，与剪力图相对应。

图6 抗滑桩弯矩图

从抗滑桩的剪力和弯矩的分析结果中得知，抗滑桩的最薄弱截面位于距离桩顶16m处的截面，而非潜在滑动面(距离桩顶约10m)，这与抗滑桩的受力机理有关，本次的抗滑桩为全埋式的抗滑桩，其受力情况如图7所示，桩的受力一般为竖直方向，但边坡中的抗滑桩与桥梁中的桩基础受力不同，主要受到来自水平方向的滑动推力作用，在桩与土体的共同作用后，抗滑桩最薄弱面受桩位移的影响，所以抗滑桩的最薄弱截面往往在潜在滑动面下方，因此在抗滑桩的设计中要充分考虑潜在滑动面部分的设计方案。