不同放置方式的h型抗滑桩数值模拟研究

马松松

（淄博市规划设计研究院有限公司，山东 淄博 255000）

0 引言

由于我国基础设施的大规模建设，因此涌现了大量的大推力滑坡治理工程。对这类滑坡治理工程来说，普通抗滑单桩自身刚度不足、抗滑能力差、治理效果不明显，因此不能用于这类滑坡的治理工作[1]。然而，由于h 型抗滑桩其具有自身刚度大、抵抗滑坡推力的能力强、治理滑坡效果显著等优势，被广泛应用于大推力滑坡治理工程中[2-3]。基于此，该文结合大推力滑坡治理工程，利用有限元软件MIDAS GTS，建立不同放置方式的h 型抗滑桩支护模型，分析各自的滑坡治理效果，对两种放置方式的h 型抗滑桩进行内力分析，得出两者中较优的放置h型抗滑桩的方式，为类似布桩位置受限的大推力滑坡治理工程提供参考。

1 工程概况

滑坡体周围植被发育一般，主要为小松林和灌木，滑坡由风化土、风化岩以及基岩组成。其中，风化土为黄褐色，稍湿，硬塑状-坚硬状，成分不均匀，含较多的碎石，分布于滑坡的表层，厚度为5 m～17 m，层厚差异大；风化岩浅灰色、灰黑色，页理结构，薄层状构造，岩石风化强烈，裂隙发育，岩体破碎；基岩为灰黑色，薄层理状构造，岩体较破碎，岩芯呈短柱状、碎块状全场地均有分布。滑坡左高为124 m，长度为206 m，右高47 m，抗滑桩设置在坡脚上部且靠近坡脚，滑坡最危险截面图如图1 所示。设计了2 种不同的h 型抗滑桩放置方式，2 种h 型抗滑桩的放置方式如图2 所示。h 型抗滑桩采用C30 强度等级的混凝土浇筑，抗滑桩与连梁截面尺寸均为2m×3m，后排桩桩长为30 m，前排桩桩长为22 m，连梁长度为5 m，前后排桩桩底水平高度相同，h 型抗滑桩与岩土体物理力学参数见表1。值得注意的是，该文提到的h 型抗滑桩的正放与反放是相对滑坡滑动方向来说的，沿着滑坡滑动方向，桩位依次为后排桩、前排桩的为正放，桩位依次为前排桩、后排桩的为反放。

表1 h 型抗滑桩与岩土体物理力学参数

图1 滑坡最危险截面图

图2 h 型抗滑桩的放置方式

2 有限元模型的建立

采用有限元软件MIDAS GTS，建立不同放置方式的h 型抗滑桩治理滑坡的二维模型，滑坡岩土体采用摩尔库伦本构模型，抗滑桩与连梁均采用线弹性本构模型。该有限元模型按平面应变考虑，分别在模型左边界、下边界、右边界施加约束，整体模型施加自重。h 型抗滑桩与连梁之间的连接为刚性连接，保证同时传递弯矩与剪力，有限元模型如图3 所示。模型建立完成后，设置3 种分析工况，分别为天然工况、正放h 型抗滑桩支护工况、反放h 型抗滑桩支护工况，每种分析工况对应选取与之相对应的网格组。

图3 有限元模型图

3 数值模拟分析

在保证其他条件不变的情况下，对上述3 种工况进行分析，得出天然工况下的坡体情况、反放与正放h 型抗滑桩滑坡治理效果、反放与正放h 型抗滑桩桩身内力，并分别进行分析。

3.1 滑坡治理效果分析

坡体有效塑性应变与坡体总位移是评判滑坡治理效果的重要因素，天然工况下坡体有效塑性应变云图如图4 所示，天然工况下坡体总位移云图如图5 所示。由图4可知，坡体有效塑性应变最大为1.31，出现在坡脚区域；天然工况下坡体有效塑性应变较大区域主要集中于风化土与风化岩接触面附近，在坡脚与坡体中部较为明显；坡体57.3%的区域有效塑性应变低于0.11，2.6%的区域有效塑性应变高于1.0。由图5 可知，天然工况下坡体最大总位移为32 mm，明显不满足实际工程安全的要求，最大总位移出现在坡脚附近；坡体总位移主要发生在风化土区域，风化岩和基岩区域总位移基本上均为0；天然工况下坡体大概4.8%的区域总位移大于20 mm，95.2%的坡体区域总位移小于20 mm；从坡顶至坡脚，天然工况下坡体总位移整体呈现递增的趋势。结合天然工况下坡体有效塑性应变与总位移，更好地证实了布桩位置在坡脚附近的合理性。

图4 天然工况下坡体有效塑性应变云图

图5 天然工况下坡体总位移云图

3 种工况下坡体的稳定安全系数与最大总位移见表2。由表2 可知，天然工况下，坡体稳定安全系数为1.04，显然坡体不满足工程安全的要求。正放h 型抗滑桩支护工况下坡体稳定安全系数为1.35，满足工程安全的要求，稳定安全系数较天然工况下提升了29.8%；正放h 型抗滑桩支护工况下坡体最大总位移为12 mm，与天然工况相比减少了62.5%；反放h 型抗滑桩支护工况下坡体稳定安全系数为1.38，也满足工程安全的要求，稳定安全系数与天然工况相比提升了32.7%；反放h 型抗滑桩支护工况下坡体最大总位移为8 mm，与天然工况相比减少了75.0%。综上所述，正放h 型抗滑桩支护工况与反放h 型抗滑桩支护工况下，坡体的稳定安全系数与坡体最大总位移均满足工程安全的要求，但是反放h 型抗滑桩支护坡体稳定安全系数提升更明显，限制坡体位移更显著，可以得出，正放h 型抗滑桩与反放h 型抗滑桩治理滑坡效果均较明显，但反放h 型抗滑桩治理滑坡效果更优。

表2 3 种工况下坡体的稳定安全系数与最大总位移

3.2 抗滑桩桩身内力分析

3.2.1 桩弯矩情况分析

正放h 型抗滑桩后排桩弯矩方向在与连梁连接处位置发生改变，后排桩埋深为17.9m 时，后排桩桩身弯矩为零，同时弯矩方向发生变化；后排桩桩身弯矩最大出现在与连梁连接的位置，最大弯矩大小为4.9MN·m；前排桩弯矩埋深为8.1m 时，桩身弯矩为零，桩身弯矩方向发生变化；前排桩桩身最大弯矩出现在桩顶与连梁连接节点处，最大弯矩大小为9.8MN·m，较后排桩最大弯矩更大；综合前当后排桩弯矩可以看出，在水平高度相同的桩身位置处，正放h 型抗滑桩前排桩桩身弯矩较后排桩弯矩更大。反放h型抗滑桩后排桩弯矩方向在与连梁连接处位置发生改变，后排桩埋深为14.3m 时，后排桩桩身弯矩为零，同时弯矩方向发生变化；后排桩桩身弯矩最大出现在与连梁连接位置，最大弯矩大小为7.5MN·m；前排桩弯矩埋深为9.0m时，桩身弯矩为零，桩身弯矩方向发生变化；前排桩桩身最大弯矩出现在桩顶与连梁连接节点处，最大弯矩大小为5.4MN·m，比后排桩最大弯矩小；综合反放h 型抗滑桩前后排桩弯矩分析，在水平高度相同的桩身位置处，反放h型抗滑桩后排桩桩身弯矩较前排桩弯矩更大。正反放h 型抗滑桩桩身最大弯矩出现的位置不同，正放h 型抗滑桩最大弯矩出现在前排桩桩顶，反放h 型抗滑桩最大弯矩出现在后排桩上与连梁连接的位置处。

3.2.2 桩剪力情况分析

正放h 型抗滑桩后排桩剪力方向在与连梁连接处位置发生改变，当后排桩埋深为10m 与24m 时，后排桩桩身剪力为零，同时剪力方向发生变化；后排桩最大剪力发生在埋深17m 处，最大剪力大小为0.8MN；正放h 型抗滑桩前排桩桩身最大剪力发生在桩顶，最大剪力大小为1.3MN；正放h 型抗滑桩后排桩桩身剪力为零的位置有3 处，前排桩桩身剪力为零的位置只有一处。当反放h 型抗滑桩后排桩埋深为20m 时，后排桩桩身剪力为零，剪力方向发生变化；当埋深为10m 时，反放h 型抗滑桩后排桩剪力最大，最大剪力大小为1.36MN；反放h 型抗滑桩后排桩与前排桩桩身剪力为零的位置均只有一处。正反放h 型抗滑桩桩身最大剪力出现的位置不同，正放h 型抗滑桩最大剪力出现在前排桩桩顶，反放h 型抗滑桩最大剪力出现在后排桩上与连梁连接的位置。

综上所述，正反放h 型抗滑桩桩身最大弯矩与剪力的位置均不同，正放h 型抗滑桩的桩身最大弯矩较反放h 型抗滑桩更大，正反放h 型抗滑桩桩身最大剪力基本相同，基本可以认为，在正反放h 型抗滑桩中，反放h 型抗滑桩的受力更优。

4 结论

该文结合边坡治理工程，利用有限元软件MIDAS GTS，建立3 种不同工况下边坡模型，对不同工况下坡体状态与抗滑桩桩身内力进行分析，得出以下3 个结论：1）在治理大推力滑坡中，正反放h 型抗滑桩治理效果均较明显，但是正放h 型抗滑桩治理效果更优，坡体稳定安全系数提升了32.7%，坡体最大总位移减少了75.0%。2）正反放h 型抗滑桩桩身最大剪力基本相同，但是反放h 型抗滑桩桩身最大弯矩较小，反放h 型抗滑桩的受力更佳。3）当布桩位置受限时，在正放h 型抗滑桩与反放h 型抗滑桩中，从受力分析角度考虑，宜选用反放h 型抗滑桩进行大推力滑坡的治理。但是要考虑现场施工条件等进行进行综合确定。