基于ABAQUS的倾斜微型桩护坡承载特性研究

陈国军,毛少霞,张雪云,任 凯

(甘肃土木工程科学研究院有限公司,兰州 730020)

对于边坡滑坡的相关治理工作一直是研究的热点问题。滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产带来巨大的损失,有的甚至是毁灭性的灾难。对于边坡工程的治理常用的方法手段有抗滑挡土墙、抗滑桩、预应力锚杆、锚索桩、普通砂浆锚杆锚固、土锚钉、加筋土等[1-3]。其中微型桩因施工机具小,适用于狭窄的施工作业区;施工振动、噪声小,适用于公害受到严格控制的市区;长细比大,单桩耗用材料少等优点受到广泛的应用[4-6]。对于微型桩的试验研究[7-10]结果表明微型桩桩径对水平承载力的影响较大,桩间距的大小直接影响群桩效应的性能;数值计算[11-13]研究发现微型桩设置桩位在坡面中下部时对边坡加固稳定性好,边坡布置倾斜桩的加固效果要强于布置竖直桩,多排桩能够起到更好的加固效果;工程实践[14-15]表明随着护坡工程向轻型化、小型化方向发展,对施工成孔技术的不断提高,微型桩已经被越来越多地应用到边坡防护当中。

但对于微型桩具体的工作机理和受力特性方面的研究尚有待更进一步探索,对边坡稳定性方面的研究不足,理论不足以撑起工程实践的需要,所以对于边坡工程大面积使用还有待商榷。在相关学者所做研究之上,利用数值计算方法深入研究了倾斜微型桩护坡承载特性,对支护体系的受力状态、荷载传递规律和桩后土压力分布规律进行分析,并且根据在同一边坡条件下,不同桩位、不同桩体倾斜角度、不同桩间距及排数等参数变量与边坡稳定性间的数值关系,分析研究了各参数变化对边坡稳定性的影响。

1 模型建立

建立边坡滑坡模型,尺寸为长×宽×高=24 m×20 m×14 m,边坡坡角为45°,微型桩长为8 m,桩径为0.25 m,微型桩位于边坡体中间位置,微型桩与竖直反向为45°即与坡面垂直。边坡土体及微型桩材料具体参数见表1。模型接触属性采用最常用的表面与表面接触,以微型桩桩体外表面为主从面,相应位置土体表面为从面,建立接触对,桩体与土体的切向摩擦公式采用罚函数,各向同性,摩擦系数为0.5,法向采用“硬”接触。微型桩模型网格划分单元形状选用六面体,网格划分技术采用扫掠形式,网格划分算法采用中性轴算法,单元类型选择八结点线性六面体单元,缩减积分(C3D8R)。为了数值计算的精确性及有效性,对土体微型桩桩位周围位置单元形状采用楔形,单元类型选择六结点母性三棱柱单元(C3D6),其余区域单元形状为六面体,单元类型C3D8R。经过对模型网格划分的调整与检查,最终整个模型结点总数为65 360,单元总数为68 944。边坡模型网格划分及初始应力场云图分别如图1、图2所示。

表1 模型参数

图1 边坡模型网格划分

图2 初始应力场云图

2 数值计算结果分析

2.1 桩身弯矩

在边坡顶部施加均布荷载,每级15 kPa,分8级加载,共120 kPa。在每级荷载作用下,倾斜微型桩身弯矩如图3所示。由图3分析可知,桩体弯矩沿着桩身分布形态近似呈倒“S”形,桩顶与桩底位置弯矩值最小,趋于0,随着桩体埋深的增加,弯矩值从桩顶到桩底先增加后反向增大,最后在桩底减小至0左右,整个桩身弯矩最大值出现在桩体埋深4 m即1/2桩体位置处,负最大值-14.6 kN·m,正最大值5.06 kN·m;当加载荷载较小时弯矩在桩身分布均匀,桩体受力合理,极大地发挥了微型桩的作用。倾斜微型桩桩体弯矩沿着桩身两侧分布,受荷段与锚固段弯矩明显,能充分体现微型桩抗滑机理,使整个桩体发挥抗滑效果,对微型桩桩身的利用效果更明显。

图3 不同荷载下倾斜微型桩桩身弯矩

2.2 桩后土压力

在每级荷载作用下,倾斜微型桩桩后土压力如图4所示。由图4分析可知,倾斜微型桩桩后土压力分布形态近似呈钟形,在加载荷载作用下,随着桩体埋深的增加,土压力值先增大后减小,桩顶位置土压力值最小,从桩顶至桩体埋深2 m处土压力值一直增大,且从桩顶至桩深5 m处增长速度较快,而后增长速度慢相对趋于稳定,土压力最大值为231.38 kPa;在桩底附近土压力值突然减小,这与微型桩锚固段受力形态相吻合,体现了微型桩锚固段起到了良好的作用。

图4 不同荷载下倾斜微型桩桩后土压力

2.3 桩顶位移

倾斜微型桩桩体各桩顶位移如图5所示。随着加载荷载值的不断增大,各桩桩顶位移值线性增大,倾斜桩顶最小位移为3.82 mm,最大位移为30.95 mm。各桩顶位移变化基本保持一致,体现了微型抗滑桩互相协同受力抵抗土体下滑力的特性。

图5 不同荷载各倾斜微型桩桩顶位移

3 参数分析

边坡稳定性分析是边坡工程的重要研究内容,实际工程中通过监测边坡稳定性的大小,对边坡的防治提供指导[16-18]。依据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)抗滑力与下滑力的比值即为边坡稳定性系数Fs。当Fs>1时,边坡处于稳定状态;当Fs=1时,边坡处于极限平衡状态;当Fs<1时,边坡发生失稳破坏。边坡结构工程设计中,根据边坡的安全等级要求及不同工况情况,一般认为Fs>1.35时能满足一级边坡在一般工况下的要求。边坡稳定性验算常用的方法有极限平衡法和数值计算法[19-22]。根据在同一边坡条件下,不同桩位、不同桩体倾斜角度、不同桩间距及排数等变量参数建立与边坡稳定性间的数值关系,分析研究各参数变化对边坡稳定性的影响。

3.1 不同桩位的影响

以所建模型坡角位置为基准,整个坡面高9 m,由坡角到坡面不同高度h的变化,分析研究未设桩天然边坡、桩角θ=0 °即竖直桩体、桩角θ=40° 3种工况下在边坡不同位置的稳定性系数变化情况,如图6所示。

图6 不同设桩位置与Fs的关系

由图6可知,此工况下边坡未设桩天然状态下Fs=1.1,θ=0°和θ=40°两种工况下边坡稳定性系数均随着设桩位置的增加而增加,但设桩40°整体稳定性大于竖直桩体,在设桩位置为3 m即距离坡角位置1/3处稳定性系数最大,此处设桩0°时Fs=1.31,设桩40°时Fs=1.373,与不设桩天然土坡相比分别增加了19.1%和24.82%。大于3 m时稳定性系数随着设桩位置的增加而减小,但减小的幅度不大。这为微型桩在边坡工程中的设桩位置提供了可行的参考,即设桩位置在距离坡脚1/3～1/2时,微型桩能发挥更有效的护坡效果,提供更强大的阻滑力,从而使边坡稳定性系数趋于最大值,土体边坡处于稳定状态。

3.2 不同倾斜角度的影响

在确定不同设桩位置与Fs的关系中,以桩体在坡角1/3处为基准,建立倾斜角度为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°时的模型,此时不同设桩倾斜角度与边坡稳定性系数间的关系如图7所示。

图7 不同设桩倾角与Fs的关系

由分析可知,在此模型中未设桩天然边坡稳定性系数为1.194,设桩边坡稳定性系数随着设桩角度的增加先增大后减小,在设桩角度为40°左右时,达到最大值1.449,设桩最小边坡稳定性系数为设桩角度为60°时为1.365,桩体竖直状态时边坡稳定性系数为1.373。边坡设桩整体稳定性系数明显比未设桩增强,体现了微型桩发挥护坡作用的效果显著,竖直桩体与倾斜40°时桩体比未设桩时稳定性系数分别增加了15%和21.36%,由此可知在边坡工程设计中倾斜桩体能更好地增强边坡的整体稳定性,使微型桩护坡作用发挥更充分,效果更明显。桩体在不同倾斜角度时与土体形成的有效滑移面如图8所示。

图8 桩体不同倾角时有效滑动面

3.3 不同桩间距及排数的影响

在桩位为坡角1/3处、桩体倾斜角度为40°的基础上,分别研究不同桩间距及不同桩排数对稳定性系数的影响,如图9所示。

图9 不同桩间距及排数与Fs的关系

由图9可知,随着桩间距的增大边坡稳定性系数逐渐减小,减小的幅度越来越小,这主要与微型桩的工作机理息息相关,微型桩土拱效应的形成与桩体间距有着直接的关系,桩间距过大,滑动土体容易从两桩中间挤出,达不到抗滑护坡承载效果,一般认为桩间距取3～5倍桩径是比较合理可行的。随着桩排数的增加稳定性系数近似直线型增加,4排桩时边坡土体稳定性系数达到2.297,与单排桩相比增加了75.34%,并且随着桩排数的继续增加稳定性系数有增大的趋势。由此说明一个快速有效增加边坡稳定性达到护坡承载效果的方法就是增加桩排数,相较于改变桩间距和桩体结构形态改变桩排数能达到更好的效果。

4 结论

基于数值计算的方法,研究了倾斜微型桩工作机理及受力特征,对倾斜微型桩的桩身内力变化规律、桩后土压力、桩顶位移进行了数据分析。在分析倾斜微型桩护坡承载特性的基础上,建立了不同桩位、不同桩倾斜角度、不同桩间距及排数等变量参数与边坡稳定性间的数值关系,分析研究了各参数变化对边坡稳定性的影响。得到以下主要结论：

1)倾斜微型桩桩身弯矩呈倒“S”形沿着桩身均匀分布,在桩体中间位置弯矩值最大,抗滑段与锚固段受力分布形式合理,能充分发挥微型桩作用,在相同作用下能承现刚好的护坡效果;土压力值随着桩体埋深先增大后减小,在距离桩底1/3左右处达到最大值,这为倾斜微型桩的锚固长度提供了参考,即倾斜微型桩锚固段取桩长的1/3～1/2是合理可行的。

2)边坡稳定性系数随着桩位的增加先增大后减小,在距离坡角1/3位置稳定性系数达到最大值,在设置微型桩时桩位在距离坡角1/3～1/2时稳定性系数较理想,可为边坡提供可靠的加固稳定程度。

3)随着桩倾斜角度由垂直状态开始不断增大的过程中稳定性系数先增大后减小,在与坡面垂直时达最大值1.449,表明倾斜桩体能有效地承受更大的水平承载力,可以更好地限制水平位移的发展,进而限制了塑性区的发展,使边坡稳定性得到提高。

4)随着桩间距的不断增大,边坡稳定性系数逐渐减小;随着桩排数的增多,边坡稳定性系数线性增大。基于此,桩间距取3～5倍桩径是切实可行的。