抗滑桩锚固深度对桩的内力及变形影响分析

2023-09-22赵兵兵

水利技术监督 2023年9期

赵兵兵

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

抗滑桩是边坡工程中常用的加固手段。具有施工简单及适用范围广的优点。其中抗滑桩的锚固深度是目前学者们研究的重点和难点。郑齐银等[1]基于数值模拟系统的研究了抗滑桩锚固位置和深度。结果表明，边坡的稳定性随抗滑桩的锚固深度的增大而提高，但当锚固深度增大到一定程度时，边坡稳定性的增加逐渐减弱。马显春和罗刚[2]基于物理模型试验系统的研究了倾滑面堆积层滑坡抗滑桩锚固深度确定方法。结果表明，滑带处的抗力最大，且桩身弯矩随荷载增大而减小。于洋等[3]基于FLAC-3D数值模拟研究了锚固深度对双排抗滑桩力学性能影响。结果表明，双排桩的位移、弯矩及剪力受锚固段深度的影响较大。其中桩的弯矩随锚固段深度增大而增大，当保持锚固深度不变时，桩的剪力逐渐减小且峰值向下移动。吴维义和李昌龙[4]基于强度理论推导了抗滑桩锚固深度的确定方法。结果表明，桩的锚固深度随桩身截面的增大而减小，当锚固深度在一定范围内变化时，桩身弯矩呈反对称。张文居等[5]基于MonteCarlo法研究了土体参数变异性对抗滑桩锚固深度的影响。结果表明，参数变异性越大，桩失效的概率越大，且桩锚固深度随抗剪强度参数的变异性大于对土体容重。陈昌富[6]等基于可靠度理论系统的分析了刚性抗滑桩嵌固深度可靠性。结果表明，抗滑桩的锚固深度对土体的抗剪强度参数较敏感，而对土体容重敏感性较弱。陈建峰等[7]基于室内，模型试验系统的研究了抗滑桩锚固长度对均质边坡滑动面及抗滑能力影响。结果表明，抗滑桩加固深度随锚固段长度增大而增加。此外，锚固段长度大于最优锚固深度时，桩身上部的受拉区减小，下部受压区增大。实际工程中，桩的最优锚固长度应综合考虑岩性及桩性质等因素综合确定。

本文基于ABAQUS数值模拟，系统研究了抗滑桩锚固深度对桩的内力及变形影响，本文的研究可为类似工程提供参考。

1 工程概况与数值模型

1.1 工程概况

研究区滑坡位于某丘陵地带，边坡总长度约为150m，高度约为80m。根据当地水文气象资料显示，研究区多年平均降雨量为630～1400mm，雨季集中于每年的6—9月。年平均温度为14℃，最高气温为28℃。钻孔资料揭示，研究边坡滑体主要为碎石土，滑面为基覆界面。根据现场调查，该滑坡一旦失稳，会造成巨大的人员伤亡，因此采用双排抗滑桩进行治理，桩长为确定为24m，桩间距为5m。滑坡的具体尺寸及典型剖面如图1所示。

图1 边坡典型剖面图

1.2 数值模型建立

本文以图1所示的边坡为研究对象并建立数值分析模型。其中边坡长度为150m，高度为80m。抗滑桩长度为24m。数值模型的边界条件为底部约束3个方向的自由度。左右两侧施加水平方向的约束，顶部为自由面。对于桩土接触本文采用罚函数进行模拟，其中桩土的摩擦系数假定为0.48。根据既有研究，本文对模型中所采用的土体的物理力学参数见表1。岩土体计算本构采用摩尔-库伦，抗滑桩采用线弹性本构。桩身及承台采用C30混凝土。其中抗拉强度为2.5×106Pa，抗压强度为2.5×107Pa。模型网格总数为3600个，节点个数为16000。

表1 材料物理力学参数取值

2 计算结果与分析

数值计算中采用强度折减法进行边坡稳定性计算。对于边坡失稳状态的判断，本文以数值模拟的不收敛及滑坡位移发生突变作为判别依据。根据数值计算研究的滑坡稳定系数为0.85，小于规范规定的安全性要求，因此需要采用抗滑桩进行处置。对于分析不同工况下的计算模型时，本文确定的滑坡失效的判断标准定为1×10-6。

2.1 锚固深度与桩长度的关系

首先不同桩身长度下，抗滑桩的受力状态与桩长的关系。图2—3分别为固定桩的自由段长度为12m，计算不同锚固长度下桩身弯矩和桩身位移的变化规律。结果表明，当桩长为8m，锚固段长度为0时，由于桩没有锚固作用，导致抗滑桩不能发挥阻滑作用，抗滑桩失效。进一步增大桩的锚固长度为1/4～1/2时，桩身的弯矩和桩身位移基本一致。其中，桩身的最大负弯矩出现在桩长为10m的位置，最大负弯矩对应的锚固段深度为1/5m工况下的-14000kN·m，而桩身的最大正弯矩出现在桩长为18m的位置，最大正弯矩对应的锚固段深度为1/2m工况下的7000kN·m。此外，但当锚固长度为2/5时，抗滑桩的弯矩发生突变。这主要是由于过大的锚固段长度所导致的。根据以上分析，实际工程中，一般可取锚固段长度为1/4～1/3桩长为最优锚固段长度。

图2 桩身弯矩的变化

图3 桩身位移的变化

2.2 锚固深度与截面尺寸的关系

进一步分析桩的锚固段长度与桩截面的关系，得到图4和图5桩身弯矩和桩身位移的变化趋势图。图4结果表明，抗滑桩桩身弯矩随桩的截面尺寸增大而增大，这是因为，桩的截面尺寸增大，桩的刚度随之增大，从而导致桩的抗滑作用增强。其中，桩截面尺寸为1.2m×1.8m的桩和1.5m×2.0m的方桩与直径为2m的圆形桩的桩身弯矩值基本保持一致。但当桩的截面尺寸增大至3.0m×4.0m时，桩身弯矩显著增大。

图4 桩身弯矩的变化

图5 桩身位移的变化

根据图6桩身位移随随桩身截面尺寸的变化规律结果表明，对于桩身截面尺寸为3m×4m的方形桩和2.5m×3.5m的方形桩的桩身位移基本保持相同。桩顶处的最大变形在不同截面尺寸下的值分别为0.87、0.87、0.8、0.53、0.42、0.23、0.21mm。但综合图4—5的结果表明，桩身截面尺寸越大，桩的阻滑能力越强。

图6 桩身弯矩的变化

2.3 锚固深度与岩体强度的关系

为了的到抗滑桩锚固深度和岩体强度之间的关系，本文进一步计算了在保持桩身截面尺寸不变的情况下，岩体强度与锚固段深度的关系如图6—7所示。其中1代表桩身截面尺寸为1.2m×1.8m的方形桩，2代表桩身截面尺寸为1.5m×2.0m的方形桩，3代表桩身截面尺寸为2.0m×3.0m的方形桩，4代表桩身截面尺寸为2.5m×3.5m的方形桩，5代表桩身截面尺寸为3m×4m的方形桩，6代表桩身截面尺寸为2m的圆形桩，7代表桩身截面尺寸为3m的圆形桩。结果表明，不同工况下，桩身位移的最大值出现在桩顶位置。在不同的岩体强度下，桩身弯矩沿深度呈反对称分布。对于锚固段序号为1～4的情况下，桩身弯矩大小基本相同，但对于序号5的工况下，桩身弯矩发生突变。此外，图7结果表明，桩身位移随岩土体强度增大而增大，并且位移零点的位置随岩体强度的增大而显著向桩顶移动。对于序号为7号工况下的桩变形显著大于其他6种工况下的桩体变形[8-9]。