圆形截面抗滑桩配筋方式优选

陈涛 李坚 杨龙伟 江强强

摘要：

圆形截面抗滑桩作为抗滑桩的一种形式，采用机械成孔，不仅能够缩短工期，而且能够有效避免人工挖孔所存在的风险。基于ABAQUS有限元软件对3种配筋形式（沿桩周均匀配筋、沿桩周非均匀配筋和配置矩形钢筋笼）的抗滑桩支护滑坡在静力荷载作用下的位移、钢筋受力特点等进行定量分析研究。研究结果表明：① 相同荷载作用下，圆形非均匀配筋抗滑桩与矩形钢筋笼抗滑桩支护效果相对较好；② 选用圆形非均匀配筋形式和矩形钢筋笼形式能够较大程度发挥钢筋作用。③ 当配筋量不大时，在可以准确定位情况下选用圆形非均匀配筋形式，可在满足承载力要求的同时节约钢筋量，但在滑坡推力较大，配筋量较大时，用矩形钢筋笼形式更有利于钢筋的布置。

关键词：

抗滑桩； 滑坡； 均匀配筋； 非均匀配筋； 矩形钢筋笼

中图法分类号：V213.1+52.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.012

文章编号：1006-0081（2023）05-0073-06

0 引 言

中国地域广阔，滑坡灾害在西南、西北等地区均有分布［1］，对人的生命财产造成威胁［2］，因此，应加大对滑坡治理工程的投入和研究，以更好地规避和应对滑坡灾害。

抗滑桩具有施工安全、桩位灵活、抗滑能力强、对滑体土块扰动小等优势，对滑坡灾害的治理效果显著［3］。目前，对抗滑桩的研究主要采用理论分析和数值模拟等手段。Ito等［4］从桩间距、截面形状、桩身材料属性以及坡率等方面分析桩身受力特点，为抗滑桩支护设计提供参考。章为民等［5］在塑性理论的基础上，通过改变抗滑桩的形状来研究桩土之间的相互作用机理，为实际工程中抗滑桩设计计算提供参考。陈富坚等［6］考虑非均布配筋可大大降低大截面抗滑桩配筋量，从受力特点、计算简便性以及布筋要求等方面，对抗滑桩和其他定向受力桩作了定性对比分析，推导了圆形与环形截面抗滑桩120°夹角非均布配筋计算公式，进行了算例对比分析和经济配筋定量计算探讨。Duncan［7］进行多因素对比分析，研究了数值模拟计算与传统方法计算的优缺点。Cai等［8］通过有限元数值模拟得出桩间距、材料及设桩位置等因素对支护效果的影响。Zhang等［9］为了研究桩的承载特性，进行了模型测试，并使用ABAQUS软件对组合荷载作用下具有不同倾角的单桩进行了数值模拟，研究结果可为斜坡地基中的桩或抗滑桩设计提供参考。

现阶段，滑坡治理方式主要采用抗滑桩技术，在抗滑桩施工中，圆形截面抗滑桩采用机械成孔［10-11］，不仅能够缩短工期，且能有效地避免人工挖孔所存在的危险［12］。目前，圆形截面抗滑桩的配筋方式主要有3种，分别为沿圆周均匀配筋的圆形均匀配筋抗滑桩、沿圆周非均匀配筋的圆形非均匀配筋抗滑桩和配置矩形钢筋笼的矩形钢筋笼抗滑桩。本文主要通过数值模拟研究3种配筋方式圆形截面抗滑桩对滑坡支护效果的影响，阐明合理的配筋方式，为圆形截面抗滑桩支护设计提供参考。

1 不同配筋形式纵筋分布形式及优缺点

1.1 分布形式

（1） 沿桩周均匀布置纵向受力钢筋（图1）。

式中： x为受压区高度；K为附加安全系数，取值为1.3；R  W 为混凝土弯曲抗压强度设计值；R g为钢筋受拉设计强度；r 0取值可查规范附录四［13］；a 0为矩形钢筋笼边长；b为 长边长度。

1.2 不同配筋方式优缺点

（1） 采用沿圆周均匀配筋方式，桩身钢筋笼施工简便、桩身各个方向均可受力，但靠近抗滑桩中和轴位置钢筋不能充分发挥作用，造成钢筋的浪费。

（2） 采用沿圆周非均匀配筋方式，总配筋量相对较小，且抗滑桩侧向受力明确，会存在明显的拉压分区，在受拉区和受压区均匀配筋的方式更符合结构受力［14］及节约资源等优点［15］，但是桩身钢筋笼施工要求较高，动力荷载条件下桩身受力特点不明确，难以确定拉压分区时不宜采用。

（3） 采用矩形钢筋笼形式具有受拉区和受压区钢筋清晰明确、可根据需要在受拉受压区差异性布筋等优点，但是目前工程中，圆形截面抗滑桩采用矩形钢筋笼的案例较少，具体效果尚不明确。

2 不同配筋形式抗滑桩模型

2.1 工程背景

边坡区地处陕西省延安市富县，年平均气温约为8～9 ℃，年平均降雨约为500～600 mm。边坡位于化工厂的污水零排放装置场地北侧，支护前上部为自然边坡，植被以杂草、灌木和乔木为主；中下部经人工取土后形成多级平台状人工边坡，无植被覆盖，边坡西侧下部一级平台高12 m，二级平台高14 m，坡比1∶0.93，平台宽5 m，二级平台处有潜在滑动的迹象，在暴雨情况下可能会发生滑动。

根据工程地质测绘调查及勘探揭露，上部主要为黄土，下部地层为泥岩和砂岩，边坡区工程剖面图如图4所示。所有钻孔均未遇见地下水。

经计算，边坡最大剩余下滑推力为1 277.73 kN/m，抗滑桩桩身所承受最大弯矩12 644.32 kN·m，最大剪力为-3 313.32 kN。由式（1）～（11）可计算出3种配筋形式的配筋量分别为51 727，44 465.2 mm2和49 522 mm2。

2.2 数值模型

边坡中下部黄土层因连续降雨有局部滑动迹象，工程设计桩位在一级平台处，概化后的模型剖面如图5所示，截取截面厚度12 m，在坡顶分级施加荷载进行建模计算。

边坡土层和岩层本构模型选用的是Mohr-Coulomb模型，钢筋混凝土桩作为受力破坏的主要构件，模拟结束后需要分析其樁身混凝土损伤情况、刚度退化以及桩的内力分布特征和破坏点位置等。混凝土数值模拟分析选用CDP模型，钢筋选用塑性本构模型。

2.3 模型材料參数

边坡坡体材料参数由勘察资料确定，桩身混凝土材料以及桩内钢筋的材料属性依据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》给出的参数取值，混凝土受压行为、压缩损伤、受拉行为及拉伸损伤等各项参数以及钢筋塑性参数均基于混凝土结构设计规范中的本构关系计算得出。具体参数如表1～4所示。

2.4 模型网格划分及各部件

模型土体、岩体及混凝土抗滑桩采用C3D8R单元类型，钢筋采用T3D2单元类型，网格划分时对重点分析部位（如抗滑桩等）进行适当加密。各部件模型示意如图6所示。

2.5 相互作用及接触设定

在有限元模拟计算过程中，由于每个部件相互之间的接触面上都存在介质不连续，因此各个部件之间的接触设定尤为重要，不仅关系到是否能够正确反映不连续部位的变形、受力以及荷载传递特征，还对模型的计算收敛起着关键作用。接触关系及参数设定如表5所示。

2.6 分析步设置

本次数值模型建模时设置两个分析步：① 分析步为Geo分析步，分析步类型选择地应力，用于计算模型初始地应力平衡；② 分析步为Load分析步，分析步类型选择静力、通用，用于给计算模型坡顶施加荷载（如图7所示），且Load分析步选择的加载方式为利用时间幅值函数分级施加荷载，每级施加4 kPa荷载。

3 计算结果分析

3.1 桩身塑性应变分析

桩身混凝土首次出现受拉损伤破坏时的云图如图8所示。

ABAQUS数值模拟软件中，CDP模型的后处理模块中的混凝土单元受拉或受压损伤达到0.864 3及以上时，即可视为该混凝土单元发生破坏，这也是混凝土裂纹出现或扩展的位置。图8（a）为沿桩周均匀配筋抗滑桩，施加总荷载达到108 kPa时混凝土桩开始出现受拉损伤破坏；图8（b）为沿桩周非均匀配筋抗滑桩，施加总荷载达到144 kPa时混凝土桩开始出现受拉损伤破坏；图8（c）为矩形筋钢筋笼桩，施加总荷载达到120 kPa时混凝土桩开始出现受拉损伤破坏。

3.2 位移分析

由图9（a）桩顶水平位移图可知，矩形钢筋笼抗滑桩的桩顶位移量相对最小；由图9（b）坡脚水平位移曲线可知，采用矩形钢筋笼抗滑桩和圆形非均匀配筋抗滑桩支护形式坡脚水平位移相对较小；对比图10（a）、（b）和（c）可知，相同荷载条件下，矩形钢筋笼抗滑桩和圆形非均匀配筋抗滑桩的桩身位移量相对较小。

3.3 三种配筋形式钢筋受力特点分析

由配筋计算可知，相同滑坡推力作用下，圆形非均匀配筋形式配筋量相对最小。由滑坡推力特点可知，抗滑桩侧向受力明确，会存在明显的拉压分区，考虑加大受拉和受压区配筋量，减少中性轴附近的配筋量，更符合结构受力特点；圆形非均匀配筋形式和矩形钢筋笼形式能够满足这一要求，但施工难度相对较大。在受力特点不明确、难以确定拉压分区时不宜采用圆形非均匀配筋形式；而矩形钢筋笼形式可以根据需要在受拉受压区差异性布筋，目前工程中圆形截面抗滑桩采用矩形钢筋笼的案例较少，具体效果有待验证。

由图11钢筋笼应力云图可以看出，中性轴附近钢筋所受应力相对于受拉和受压侧钢筋很小。通过数值模拟结果可知：采用圆形非均匀配筋和矩形钢筋笼形式，可以较大程度发挥钢筋的作用。

4 结 论

基于ABAQUS有限元数值模拟软件在静力荷载下分别对3种配筋形式的圆形截面抗滑桩与滑坡相互作用及钢筋笼受力特点进行数值模拟和研究，得出以下结论。

（1） 加载过程中，3种配筋形式抗滑桩的桩顶、桩身以及坡脚的水平位移曲线规律基本一致，且矩形钢筋笼抗滑桩支护模型的桩顶和坡脚的水平位移量最小，圆形非均匀配筋抗滑桩支护模型次之。

（2） 对于相同滑坡推力作用下，选用圆形非均匀配筋形式配筋量相对最小；选用圆形非均匀配筋形式和矩形钢筋笼形式能够较大程度发挥钢筋作用。

（3） 在静力荷载下，从位移特征和施工的便利性等方面综合考虑，当配筋量不大时，可在准确定位情况下用圆形非均匀配筋；但在滑坡推力较大，需要配置多排钢筋时，用矩形钢筋笼形式更有利于钢筋的布置。

参考文献：

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（编辑：李 慧）

Abstract：

As a way of anti-slide pile，circular cross-section anti-slide pile adopts mechanical hole forming can shorten the construction period and effectively avoid the risks of manual hole digging.Based on ABAQUS finite element software，the quantitative analysis and research were carried out on the displacement and stress characteristics of reinforcement under static load of landslide supported by anti-slide piles with three reinforcement forms （uniform reinforcement along the pile circumference，non-uniform reinforcement along the pile circumference and rectangular reinforcement cage）.The research results showed that：① Under the same load，the supporting effect of rectangular reinforcement cage anti-slide pile and circular non-uniform reinforcement anti-slide pile was relatively good；② The circular non-uniform reinforcement form and rectangular reinforcement cage form can play a greater role in reinforcement.③ When the amount of reinforcement was small，the circular non-uniform reinforcement form can be selected under the condition of accurate positioning，which met the requirements of bearing capacity and cansave the amount of reinforcement.However，when the landslide thrust and the amount of reinforcement were large，the rectangular reinforcement cage form was more conducive to the arrangement of reinforcement.

Key words：

anti slide pile； landslide； uniform reinforcement； non-uniform reinforcement； rectangular reinforcement cage