不同桩排间净距的h形抗滑桩的数值模拟研究

张 虹

(深圳特别合作区土地整备局,广东 深圳 518000)

1 概 述

抗滑桩具有桩位设置灵活、对滑体扰动小等优势,在边坡治理中得到广泛应用。但随着实际大推力滑坡工程的出现,普通抗滑桩已无法满足实际工程抗滑能力的需求。而h形抗滑桩由于其独特的结构形式,常常被用于治理大推力滑坡。

目前,许多学者对h形抗滑桩进行了相关研究。罗勇等[1]分别采用传统的深部位移测试手段和先进的BOTDA光纤传感测试技术,对h形抗滑桩在整个治理滑坡过程中的变形与内力响应进行测试,结果表明,在治理特大型滑坡过程中,h形抗滑桩具有显著的效果。李兵等[2]通过数值模拟技术,对圆截面h形抗滑桩组合结构受力和变形进行了分析,结果表明,圆截面h形抗滑桩前后排桩与连梁形成空间结构,使其变形减小,并能够承受更大的滑坡推力。赵玉博等[3]运用FLCA3D软件,分别对单桩与h形抗滑桩支护后的边坡进行了分析,结果表明,h形抗滑桩支护后位移量较单桩减少92.3%,支护效果更明显。宁宇等[4]通过h形桩耦合数值模型,对不同高程的支护效果进行了研究,结果表明,支护高程对支护效果有明显的影响,支护效果最佳位置在边坡中部。王晨涛等[5]通过平面刚架模型与弹性地基梁理论,对h形抗滑桩的内力进行了分析,结果表明,采用该分析方法的h形抗滑桩内力理论计算值与现场桩体监测值基本吻合。

以上研究均未涉及对h形抗滑桩最优前后排桩排间净距的研究,一定限度上影响了h形抗滑桩在实际工程中的选用。基于此,本文针对某大推力滑坡工程,利用有限元软件MIDAS GTS,建立数值模拟分析模型,分析在不同前后排桩排间净距时,h形抗滑桩的支护效果与其内力,并确定最优桩排间净距,为类似工程中h形抗滑桩的设计提供参考。

2 工程概况

该边坡由风化土、风化岩、基岩所构成,最危险截面见图1;各岩土体物理力学参数见表1。经现场勘测及计算分析得知,该边坡滑坡推力较大,普通单桩不足以抵抗滑坡推力,故采用h形抗滑桩进行支护。

表1 岩土体物理力学参数

图1 边坡最危险截面

3 有限元模型

3.1 模型建立

本文采用有限元软件MIDAS GTS进行数值模拟,边坡岩土体采用Mohr-Coulomb本构模型,抗滑桩采用线弹性本构模型,边坡尺寸182m×112m,边坡有限元模型见图2。

图2 有限元模型图

抗滑桩采用C30混凝土,重度25kN/m3,体积模量1.146×107kPa,剪切模量1.28×107kPa,抗滑桩截面尺寸B×H=2m×3m,连梁顶面距后排桩桩顶面8m,前排桩长L1,连梁长L2=桩排间净距d,后排桩长为L3=32m。抗滑桩构造图见图3。

图3 抗滑桩构造图

3.2 数值模拟分组

为保证抗滑桩所受滑坡推力相同,h形抗滑桩后排桩的位置保持不变。通过改变前排桩桩长与连梁长度,实现前后排桩排间净距的改变。考虑到工程造价因素,在不同数值模拟分组中,使后排桩长度保持不变,前排桩长度与连梁长度之和等于后排桩长度(定值),以此保证各分组抗滑桩造价相同。由于布桩位置与抗滑桩嵌固长度的限制,本文讨论的桩排间净距的范围为1H～5H,数值模拟各组参数见表2。

表2 数值模拟各组参数

4 数值模拟分析

在相同滑坡推力作用下,对不同桩排间净距的h形抗滑桩支护的边坡进行运算求解,得到各组的h形抗滑桩对坡体的支护效果与其内力,并进行对比分析。

4.1 边坡支护效果分析

抗滑桩支护边坡前后,边坡的稳定安全系数、最大剪应变与位移的变化是评价支护效果好坏的重要指标。未支护状态与各分组抗滑桩支护的边坡稳定安全系数、最大剪应变以及最大X方向位移见表3。

表3 边坡模拟相关系数

由表3可知,相对于未支护状态,经h形抗滑桩支护后,各分组的边坡稳定安全系数均有明显提升,但不同分组支护的稳定安全系数存在一定的差距。其中,当采用桩排间净距2H的抗滑桩支护时,边坡稳定安全系数达到所有分组中最高的1.38,相较未支护状态提高30.19%;桩排间净距1H的抗滑桩支护时,边坡稳定安全系数仅达到1.25,但相较未支护状态仍提高17.92%。对比不同分组的边坡稳定安全系数可以得到,当桩排间净距1H～2H时,稳定安全系数随桩间净距的增加而升高;当桩排间净距为2H～5H时,稳定安全系数随桩排间净距的增加而降低。

由表3可知,相较于未支护状态,经h形抗滑桩支护后,各分组边坡最大剪应变与最大X方向位移均有明显降低,但不同分组支护的边坡最大剪应变与最大X方向位移的差距也是存在的。其中,当采用桩排间净距3H的抗滑桩支护时,边坡最大剪应变达到所有分组中最低的0.05,相较未支护状态降低86.11%;桩排间净距1H的抗滑桩支护时,边坡最大剪应变在所有分组中最大,最大值为0.13,但相较未支护状态仍降低63.89%。当采用桩排间净距2H的抗滑桩支护时,边坡最大X方向位移降低至最小,最小值为0.31,相较未支护状态降低72.56%。对比不同分组的边坡最大剪应变与最大X方向位移可以得到,当桩排间净距1H～3H时,最大剪应变随桩间净距的增加而降低;当桩排间净距为3H～5H时,最大剪应变随桩排间净距的增加而升高。当桩排间净距1H～2H时,最大X方向位移随桩间净距的增加而降低;当桩排间净距为2H～5H时,最大X方向位移随桩排间净距的增加而升高。

综合上述分析,采用h形抗滑桩进行边坡治理时,边坡稳定性得到明显提升,但不同桩排间净距的h形抗滑桩支护效果存在差异。综合边坡稳定安全系数、最大剪应变以及最大X方向位移可大致认为,当h形抗滑桩桩排间净距1H～2H时,边坡支护效果随桩排间净距的增加而升高;当h形抗滑桩桩排间净距为2H～5H时,边坡支护效果随桩排间净距的增加而降低。

4.2 抗滑桩内力分析

不同分组的h形抗滑桩后排桩的弯矩与剪力见图4、图5。由图4可知,在不同分组中,后排桩埋深为0～9.5m时,桩身弯矩基本完全一致;当桩埋深为9.5m时,所有分组的桩身弯矩均发生突变,但只有1H分组的弯矩方向未发生突变;后排桩桩身最大正弯矩与最大负弯矩均发生在5H分组中,最大正弯距为17.1MN·m,最大负弯矩为13.9 MN·m;在靠近潜在滑动面处深度,桩身弯矩都会达到一个极值,4H分组的极值最小,为6.9 MN·m;相对于其他分组,2H分组桩身整体弯矩随桩身分布较均匀,最大弯矩7.6MN·m,仅为5H分组的44.44%。由图5可知,在不同分组中,整体上桩身剪力分布形式大致相同,当后排桩埋深为0～9.5m时,桩身剪力分布基本一致;当桩埋深9.5m时,桩身剪力均发生突变,但只有2H分组剪力方向发生变化;桩身剪力最大值出现在5H分组,h形抗滑桩后排桩最大剪力数值为1.64MN;相对于其他分组,2H分组桩身整体剪力随桩身分布较均匀,在0～25m埋深中,2H分组的桩身剪力均最接近桩身轴;在25～32m埋深中,仅有4H分组较2H分组略靠近桩身轴。

图4 后排桩弯矩图

图5 后排桩剪力图

不同分组的h形抗滑桩前排桩的弯矩与剪力见图6、图7。由图6可知,5H分组的h形抗滑桩的前排桩弯矩整体较小;弯矩最大值发生在1H分组,最大弯矩为16.9 MN·m;桩顶最大弯矩为14.3 MN·m,发生在4H分组;前排桩弯矩整体分布趋势较为统一。由图7可知,在埋深0～7.5m范围内,不同分组前排桩剪力分布基本相同;在7.5m至桩底范围内,前排桩剪力分布差异较大;桩身最大剪力在5H分组,最大剪力为2.35MN,且只有5H分组的剪力最大值不在桩顶位置,其余分组的最大剪力值均在桩顶位置处;2H分组前排桩桩身剪力在整体上分布较为均匀。

图6 前排桩弯矩图

图7 前排桩剪力图

综合上述,当桩排间净距过小时,前排桩的弯矩与剪力会明显提高,但后排桩弯矩与剪力仍保持较大;当桩排间净距过大时,前排桩的的弯矩与剪力较小,后排桩的弯矩与剪力会很高,不能充分发挥前排桩的作用。结合前后排桩内力分布情况可以大致认为,在不同分组中,桩排间净距为2H时,连梁协调前后排桩的内力效果最优。

5 结 论

本文通过建立不同桩排间净距的h形抗滑桩边坡支护模型,对不同桩排间净距的抗滑桩边坡支护效果与桩身内力进行研究,结论如下:

1)相同抗滑桩造价时,在相同滑坡推力作用下,边坡支护效果随前后排桩净距先变优后变劣。在不同桩间净距支护分组中,当前后排桩净距为2H时,边坡支护效果最佳,边坡稳定安全系数提高30.19%。

2)在相同滑坡推力作用时,相较于其他分组,桩排间净距为2H时,桩身最大弯矩仅为5H分组的44.44%,h形抗滑桩的桩身弯矩与剪力分布较为均匀,能够更好协调前后排桩的内力,充分发挥前后排桩的抗滑作用。