抗滑桩几何参数对含多层泥化夹层边坡支护效果的影响分析

2023-09-08王志强龙郧铠

中国水运 2023年8期

王志强，龙郧铠

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

抗滑桩具有优秀的阻滑能力，已经广泛应用于含有夹层的边坡支护中[1-3]，目前对抗滑桩加固含弱层边坡效果的研究已经有了大量且成熟的研究成果。云南某发电厂高边坡在开挖支护施工期间发生了多次失稳，造成了巨大的经济损失本文基于有限元软件plaxis 探究了抗滑桩几何参数（桩长、截面形状和直径）对该高边坡的支护效果，以期为该工程和类似项目提供一定的指导意义。

1 数值模型及计算方案

1.1 数值模型

该高边坡附近的地层岩性简单，以白云岩为主，但白云岩碎裂化程度高且含有多个泥化夹层，泥化夹层该工程边坡是否稳定运行的控制性因素之一。

选择一个较为典型的剖面如图1 所示，岩土体材料参数见表1，抗滑桩参数见表2。模型底边界为固定约束，前后及两侧边界为法向约束，地表面为自由边界。岩土体均视为理想弹塑性材料，屈服准则都采用传统的Mohr-Coulomb 屈服准则。有限元数值计算采用岩土工程专业软件PLAXIS 执行。

表1 岩土体的物理力学参数

表2 抗滑桩的物理力学参数

图1 纵剖面地质图

图2 抗滑桩示意图

1.2 计算方案

（1）桩长的影响。抗滑桩直径D 为1.6 m，桩间距Sp 为3 m，三维数值模型厚度为6 m 分别设桩长为Lp=18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m、32 m、34 m、35 m、40 m，11 种深度。

（2）桩横截面形状的影响。考虑圆形、正方形、长方形截面，横截面积相等，圆的直径D 为1.6 m，正方形边长为1.417 m，长方形的长宽比a/b=3/2，a=1.737 m，b=1.158 m。桩长Lp 取35 m，Sp 取3 m。

（3）桩直径的影响。设置圆形截面桩进行计算，桩长Lp 取35 m，桩直径D=0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m、1.5 m、1.6 m，Sp=2D，模型厚度为2Sp。

2 结果与讨论

2.1 抗滑桩桩长的影响

抗滑桩处泥化夹层最大埋深为20.1 m，抗滑桩桩长18 m、20 m 时，边坡稳定安全系数分别为1.331、1.338，当桩长增加到22 m 时，安全系数骤然增加到1.393，从22 m 到28 m，安全系数缓慢增加到1.433 之后不再变化（如图3 所示）。以上描述表明抗滑桩桩长增加，安全系数先增大，达到或超过临界长度后安全系数趋于恒定，桩长的阻滑功效存在极限。随桩长增加，先后发生桩前坡体滑动，抗滑桩与坡体整体下滑，只有当抗滑桩长度达到一定数值，抗滑桩才能积极发挥阻滑功效。当到达或超过临界长度后安全系数趋于恒定的临界长度是28 m。

图3 边坡稳定安全系数与抗滑桩桩长的关系

2.2 抗滑桩横截面形状的影响

分别设置等面积的圆形、正方形和长方形横截面的抗滑桩加固边坡，边坡稳定安全系数逐渐增大（如表3所示）。采用公式和计算圆形、正方形和长方形的惯性矩：

表3 不同截面抗滑桩边坡稳定安全系数、抗滑桩内力和桩头位移

它们的惯性矩分别为0.322 m4、0.336 m4、0.506 m4，表明长方形截面桩绕X 轴的抗弯刚度比圆形桩大。因此，长方形截面抗滑桩加固边坡的安全系数比正方形、圆形截面抗滑桩加固边坡大。

综上所述，在相同坡位分别设置等面积圆形、正方形和长方形抗滑桩加固边坡，边坡安全系数逐渐增大，抗滑桩内力和桩头位移逐渐减小。对于含多层泥化夹层的顺层碎裂岩质高边坡，其一般沿岩层倾向滑动，不考虑施工作业，仅从边坡稳定和抗滑桩内力来评价，长方形截面抗滑桩要优于正方形、圆形截面桩。

2.3 抗滑桩直径的影响

抗滑桩直径D 从0.9 m 增加到1.6 m，距径比Sp/D=2 保持不变，抗滑桩惯性矩Ix 从0.0322 m4线性增加到0.3217 m4，混凝土用量从12.37 m3/m 呈凹抛物线增加到21.99 m3/m（图4（a）），混凝土用量指沿X 轴方向每延米混凝土的消耗量，可按下式计算：

图4 Sp/D=2 时抗滑桩相关参数与桩径的关系

式中：vc 为混凝土用量，D 为桩径，Lp 为桩长，Sp 为桩间距。

数值计算结果显示，若Sp/D=2 保持不变，桩径增大，模型Ⅲ的边坡稳定安全系数从1.379 近乎线性增加到了1.414，但是安全系数的增幅是很小的（图4（b））。戴自航和徐祥[4]、年廷凯等[5]研究表明，若桩间距Sp保持不变，桩径D增大，安全系数越大。年廷凯等[5]认为，若距径比Sp/D不变时，在不考虑弹性模量变化的情况下，桩径在0.6～2.0 m 之内取值所得出的边坡安全系数基本一致，这个结论与本文类似。

通过以上分析表明：（1）若Sp/D 不变，拟通过增加桩径来提高边坡稳定性是不可取的。（2）抗滑桩加固边坡工程，根据预期的安全系数，桩间距与桩径有多种可供选择方案，如小直径小间距、中直径中间距、大直径大间距。

综合考虑，若Sp/D 不变，桩径D 增大，抗滑桩的惯性矩增大，边坡安全系数有微小增大，但是混凝土用量快速增加，导致造价增加，仅从这方面考虑选择小直径抗滑桩更合适，但是小直径抗滑桩，桩间距小，桩数量多，施工不便，造价也会增加。大直径抗滑桩虽然混凝土用量多，但是施工快。对于本工程，桩径取1.4 m较为合适。