板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析

2023-05-20曾锦秀

华北科技学院学报 2023年2期

曾锦秀

(1. 福建船政交通职业学院土木工程学院,福建福州 350007; 2. 福建船政交通职业学院福建省“交通土建智能与绿色建造”应用技术协同创新中心,福建福州 350007)

0 引言

边坡稳定性评价是岩土工程领域内重要的研究课题之一。抗滑桩作为提高边坡稳定性的重要手段,涌现出了许多新的形式,如h形抗滑桩、倾斜桩、斜-直组合桩等,并在实际工程中得到了广泛应用。工程实践表明,带有一定倾斜角度的桩在抵抗侧向荷载作用时具有更好的控制变形和抗倾覆性能[1],因此有学者围绕此类结构展开研究。凌道盛等[2]提出了适用于单斜桩水平承载特性分析的修正p-y曲线及相应的有限元分析方法,研究了斜桩倾角、桩-土界面摩擦系数等因素对极限土抗力的影响规律,并给出了斜桩初始地基反力模量确定方法;马庆华等[3]为了得到承台-普通倾斜桩(双排桩)体系在水平荷载条件下的工作性状,首先拟合现场实测数据得到土层及桩体的合理参数,然后采用数值模拟手段分析了不同倾斜程度及倾斜方向下体系的变形、受力特征;胡明等[4]基于有限元强度折减法,利用ANSYS软件分别对倾斜微型单桩的倾角、设桩位置、锚固深度和桩排距等参数对加固边坡稳定性的影响进行分析;樊文甫等[5]通过数值模拟手段研究在水平荷载作用下带承台倾斜单桩的桩身倾角、长径比以及竖向荷载对桩顶水平位移与桩身弯矩的影响;曾锦秀[6]采用数值模拟对微型桩组合结构在不同倾角下的桩身内力进行分析,发现当桩体倾角为20°左右桩身内力较小;刘承昕[7]通过室内模型试验,研究路堤坡脚处均匀砂土地基内斜-直桩组合结构变间距工程特性差异,为在路堤坡脚处设置斜-直桩组合结构的优化设计提供试验依据;胡鹏[8]通过室内模型试验,研究了路堤破坏出均质砂土中斜直桩工程特性。王孝哲和刘琳琳等[9]采用FLAC3D软件,应用强度折减法分析了桩顶自由的三排倾斜微型桩群在加固堆积层边坡时桩倾角与支护效果间的规律;曹之烨[10]采用室内模型试验研究砂土中4种不同倾斜度的斜-直双排桩在侧向堆载下的土压力、水平位移和弯矩变化规律、分析了破坏形式,同时对模型试验进行了数值模拟分析;刁钰等[1]利用室内模型试验及Plaxis有限元软件研究了由冠梁连接的斜-竖直交替组合桩在加固边坡时在控制位移、边坡稳定性以及桩身力学特性。周德泉等[11]采用模型试验,针对倾斜软基上桩体复合地基受压时,对桩底插入硬层情况下双单桩、双直桩组合结构以及斜直桩(双排桩)组合结构的桩侧土压力、桩身应变和外侧桩水平位移进行研究,揭示斜直桩组合结构变形机制与破坏模式。

综上所示,以往研究对象多为普通的单排桩或双排桩,而对板连式斜直微型桩群加固边坡在不同桩体倾角下的系统研究报道较少。有鉴于此,本文采用三维数值模拟软件,针对均质土坡,系统研究此类结构中斜桩倾角、桩长对组合结构的力学响应及其对边坡稳定性的影响,为合理的组合结构布置型式提供依据。

图1 板连式微型桩群加固边坡示意图

1 边坡三维数值模型

1.1 计算模型及边界条件

以西南地区某铁路工程沿线一均质粘性土土坡为例,土坡几何尺寸如图2所示。边坡分两级,为确保边坡稳定,拟采用微型桩组合结构对边坡进行加固,单元间距为3m,为考虑岩土相互作用的空间效应,沿边坡走向取3个3×3型组合结构单元(如图2(b)所示)建立FLAC3D数值模型,每个单元顶部尺寸为1.44m×1.44m(如图2(c)所示),厚度为0.5m,顶板由钢筋混凝土浇筑而成,在数值模型中用liner单元进行模拟。单元内：后排与前排微型桩桩体倾角(与竖直方向夹角)为15°,中排桩竖直,微型桩的排间距、列间距均为4d(d为微型桩孔径,d=0.13m),桩长为10m,单根微型桩含3根直径为32mm的螺纹钢(如图2(d)所示)。岩土体与结构的物理力学参数如表1所示。边坡设计安全系数为1.15。桩土界面力学特性采用切向与法向耦合弹簧模拟,其中切向与法向耦合弹簧刚度分别为：1.65×109N/m2、1.65×1011N/m2,单位长度的切向、法向耦合弹簧内聚力为9.4×109N/m、9.4×103N/m,单位长度的切向、法向耦合弹簧摩擦角均为10°。

图2 均质土坡三维数值模型

1.2 本构模型及计算参数

边坡岩土材料采用弹塑性本构和M-C破坏准则。顶板和微型桩分别采用liner单元与pile单元进行模拟(图2)。边坡岩土体及支护结构基本力学参数见表1。

1.3 计算方案

采用不同倾角(中排桩竖直)的微型桩组合结构对上述边坡进行加固(图2),计算组合结构在设计安全系数下前排、后排桩的倾角分别为0°、5°、10°、15°、20°、25°时结构、边坡变形及边坡稳定性。

2 计算结果及分析

2.1 组合结构及坡体变形

图3、图4为组合结构在不同倾角下的桩身变形图与水平位移沿桩身分布曲线图(沿桩身长度方向变化),表2为不同倾角下组合结构水平位移最大值及其出现的位置(以沿桩长方向距离桩顶的距离表示),图5为不同倾角组合结构支护下边坡水平位移云图。

由图3、图4及表2可知,当桩身倾角为0°时,组合结构中三排桩变形、水平位移沿桩身分布情况几乎完全一样,随着桩身倾角的增大,后、中、前三排桩的水平位移逐渐有所不同(主要体现在最大值以下的部位,且在三排桩中前排桩的水平位移最大),桩身变形及桩身水平位移呈现先增大后减小再增大的变化趋势,当桩身倾角为10°时,桩身变形(水平位移)的最大值达到最大,其中后排桩、中排桩、前排桩的水平位移分别达到72.87cm、75.16cm、76.23cm;当桩身倾角为20°时,桩身变形(水平位移)的最大值达到最小,其中后排桩、中排桩、前排桩的水平位移分别达到47.19cm、49.66cm、50.49cm,此时再增大桩身倾角,各桩桩身水平位移有增大的趋势。同时,各桩桩身水平位移最大值出现的位置随着桩身倾角的增大而逐渐增大。

图3 不同倾角的桩身变形图

由图5可知,坡体水平位移随着组合结构桩身倾角增大也呈现先增大后减小再增大的变化特征,当组合结构前、后排桩身倾角倾角为10°时,坡体水平位移达到最大值7.56cm,而当桩身倾角为20°时,坡体水平位移减小为4.82cm。这在一定程度上说明组合结桩身倾角为20°左右时对边坡加固效果较好。

综上可知,无论对于桩身水平位移还是坡体水平位移,均是当桩身倾角为20°～25°时较小,说明桩身倾角为20°～25°时组合结构对边坡的加固效果较好。

图4 不同倾角下的桩身水平位移图

表2 微型桩组合结构变形特征值汇总

续表

图5 不同倾角下的水平位移云图(折减1.15后)

2.2 潜在滑面

图6为设计安全系数下不同桩身倾角情况边坡的最大剪应变增量云图,图7为不同倾角下的潜在滑面对比图。由图7可知,总体而言,随着桩身倾角的增大,最大剪应变增量最大值先增大后减小,当桩身倾角为5°时最大,25°时最小;边坡潜在滑面由浅变深,尤其当桩身倾角从20°变为25°时潜在滑面深度增加了约0.5m。

图6 不同倾角下的最大剪应变增量云图

2.3 塑性区分布

图8为不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布图,其中“None”表示未产生塑性破坏、“shear-n”表示正在发生剪切破坏、“shear-p”表示之前发生剪切破坏、“tension-p”表示之前发生拉伸破坏、“tension-n”表示正在发生拉伸破坏。由图可知,不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布范围有所不同,当桩身倾角在5°～25°范围时,组合结构底部的塑性破坏单元比桩身竖直(桩身倾角为0°)时少得多。当桩身倾角为20°时,发生剪切破坏的塑性区单元分布范围较小,说明桩身倾角为20°时组合结构加固边坡效果较好,这与前面的分析结论是一致的。