伊吾县吐尔干沟渠首双排桩治理边坡的效果评价

雷亚娇

（哈密水文勘测局,新疆 哈密 839000）

1 引言

双排桩因阻滑效果好,而在边坡和滑坡工程中应用广泛,对此学者们也进行了大量的研究,宫凤梧等[1]以张家口某支护工程为例,研究了双排桩支护体系,研究结果表明：双排桩的刚度对支护工程的稳定性有较大的影响。郭成超等[2]利用数值模拟软件,对装配式可回收的双排桩进行了研究,研究结果表明：双排桩的前排桩和后排桩的变形趋势是一致的。邱红胜等[3]以非线性算法,对双排桩的位移进行了研究,研究结果表明：考虑桩土接触面时计算双排桩的位移更加符合实际。郭庆华等[4]以双排桩的桩径、桩距等作为变量,对双排桩的支护形式进行了研究,研究结果表明：结合不同的岩土体,通过调整桩径和桩距,可得到双排桩支护的最优解。董薇等[5]利用数值模拟软件,对不同排距条件下的双排桩支护结构进行了研究,研究结果表明：增加排间距可有效地控制双排桩的变形,提高支护结构的稳定性。张静[6]提出了考虑地下水渗流影响的双排桩计算式,并通过实例对该计算式进行了研究,研究结果表明：考虑地下水渗流影响条件时,双排桩的变形更接近真实值。刘帅等[7]对双排桩支护结构的影响因素进行了分析,分析结果表明：桩间距、前后排桩的距离和桩长是支护结构的最大影响因素,应当结合不同的岩土体选择合适的桩间距、前后排桩距离等。董必昌等[8]研究了地震工况下双排桩的支护结构,研究结果表明：双排桩的桩排距为3～5 倍直径时,支护结构的稳定性最优。黎子荣[9]对双排桩的内支撑进行了研究,研究结果表明：内支撑的刚度和抗弯性对双排桩的支护刚度影响最大。张京等[10]对双排桩原围护结构进行了研究,研究结果表明：围护结构的应用利于控制岩土体的位移。

然而以上的研究对象多是基坑支护方面,双排桩对于边坡或滑坡的支护效果如何,对此本文结合一实际工程,利用数值模拟对双排桩的支护效果进行研究。

2 工程概况

伊吾县吐尔干沟渠首工程位于我国新疆地区,在连续下了2 天暴雨的情况下,工程附近边坡下部出现了裂缝,待暴雨结束后施工单位及时进场,进行紧急加固,加固措施采用的是双排桩,为防止边坡因施工活动出现大规模的坡体滑动,采用机械钻孔布桩。

经地质勘察,如图1 所示,边坡主要由风化土、风化岩和硬岩组成,采用的是双排桩进行支护,结合地质勘察结果,潜在滑动面穿过双排桩中部,以保证双排桩发挥阻滑作用,岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 边坡支护示意图

3 剩余下滑力

结合地质勘察的潜在滑动面范围、风化土的相关性质,利用瑞点条分法可对边坡的剩余下滑力进行计算,计算结果见表2。

表2 剩余下滑力计算

如表2 所示,将潜在滑动区域共计划分成11 个条块,第9 个条块区域为抗滑段,此区域约23 m,因为考察到此区域为抗滑段,因此将双排桩设置于此区域,为了保证不对边坡造成较大的扰动,采用机械挖掘的方式,快速钻孔并施设抗滑桩,滑坡推力最终的计算数值为2930.3 kN/m,由此数值可知,设计单排桩阻滑效果不一定满足工程要求,双排桩是理想的支护方式,本文暂不考虑土拱效应的影响。

4 数值模拟

4.1 模型的建立

结合图1、表1 的数据,数值模拟的模型见图2,双排桩在MIDAS GTS 中选择的是植入式梁单元,截面积为8 m2,扭转常量为7.31 m4,截面惯性矩y 轴方向为2.67 m4, z 轴方向为10.67 m4,有效剪切面积Y 轴方向为6.68 m2,剪切应力系数为0.19 m-1。

图2 数值模拟实体图

数值模拟统一选择混合四面体网格单元,均采用1m 进行网格划分,数值模拟共计6496 个单元,8334 个节点,数值模拟计算至模型结束时停止。

4.2 模拟的结果

4.2.1 位移分析

边坡的竖向位移见图3,边坡的竖向位移主要集中于风化土区域,边坡上缘竖向位移比较集中,最大竖向位移为6.4 mm,此区域约占整个边坡岩土体的2%,边坡岩土体竖向位移23%不超过3 mm,超过70%的岩土体竖向位移不超过1 mm,说明边坡施加双排桩以后,岩土体的竖向位移控制在合理的范围内,满足边坡稳定性的要求。

图3 边坡的竖向位移（单位：m）

边坡的水平位移见图4,边坡的水平位移主要集中于风化土区域,风化土区域中缘位移比较集中,最大水平位移为5.3 mm,此区域约占整个边坡岩土体的3%,边坡岩土体水平位移24%不超过4 mm,超过70%的岩土体水平位移不超过1 mm,说明边坡施加完双排桩以后,岩土体的水平位移控制在合理的范围内,满足边坡稳定性的要求。

图4 边坡的水平位移（单位：m）

4.2.2 安全性分析

将数值模拟运行至边坡平衡时结束,边坡的剪应力变化见图5,滑动面并未贯穿,说明施加双排桩确实达到了理想的支护效果。另一方面,经过拆减系数法计算可知,施加完双排桩后的边坡的安全系数为1.41,此安全系数在规定的范围内,但安全系数仅达到了规定安全系数的最小界,并没有足够的安全储备,因此可考虑适当在坡面进行锚杆或锚索的施加,以提高边坡的安全储备,达到理想的支护目的。

图5 边坡剪应力变化

4.2.3 数值模拟总结

（1）边坡的水平位移和竖向位移最大值分别为5.3 mm和6.4 mm,均不超过允许的最大位移范围,从位移的角度上讲是满足工程要求的。

（2）通过边坡的剪应力变化区域可知,边坡的潜在滑动面并未贯通,说明双排桩起到了阻滑的效果,安全性系数为1.41,尽管满足边坡支护后边坡安全性要求,但是此安全系数过小,如果条件允许的情况下,应当适当增加支护措施,比如坡面处施加锚杆或锚索,或者将双排桩的尺寸适当增大,以增加边坡的安全储备,达到支护的目的。

（3）边坡的水平和竖向位移变化区域是相互对应的,说明边坡的位移分析是正确的,应当对此区域的岩土体施加安全保护措施。此岩土体位移变化区域与边坡的剪应力变化区域也是对应的,一定程度上说明数值模拟计算的有效性。

5 结论

边坡在暴雨工况下,坡脚出现了位移变化,通过计算边坡的剩余下滑力,对边坡进行坡脚处双排桩的施加,并通过数值模拟对施加支护措施的边坡进行研究,研究结果表明：

（1）边坡的水平位移和竖向位移是相互对应的,且均控制在合理的范围内,从位移角度方面说明边坡的支护措施是合理有效的。

（2）边坡的剪应力区域并没有贯通,一定程度上说明支护措施有效；从安全性角度出发,边坡的安全性系数仅满足工程要求的最低限,说明支护措施有待提高,可考虑在坡面施加锚索或锚杆,或者适当增加双排桩的尺寸,以保证边坡的安全系数满足要求。

（3）本文研究的重点在于边坡的位移和安全性,并没有考虑双排桩的受力,也没有考虑土拱效应的影响,此方面的研究有待进一步深入。