抗滑桩+锚杆组合支护结构中抗滑桩参数的影响分析

2023-12-23范学友

水利技术监督 2023年12期

范学友

(粤水电建筑安装建设有限公司，广东广州 511300)

0 引言

滑坡是一种规模性大、分布广泛以及危害性大的地质灾害。在滑坡治理与预防方面，主要采用的方式有抗滑桩、格构、锚杆与锚索等方式，抗滑桩+锚杆治理方案因其优势明显得到广泛的实际应用。当前，学者们对抗滑桩+锚杆组合支护结构进行了大量的研究。姜红斌[1]利用有限元软件FLAC-3D，对锚杆抗滑桩加固边坡进行了数值模拟研究，研究结果表明：边坡经加固后，位移满足要求，锚杆的位移与其受力的关系对应。魏小佳[2]结合实例顺层边坡项目，利用现场监测技术，对顺层岩质边坡分级组合支挡体系进行了研究，研究结果表明：放坡+格构锚索(锚杆)+抗滑桩组合支护体系支护边坡效果显著，各项监测数据均满足要求。张涛等[3]通过加固边坡的模型实验，对锚杆抗滑桩与普通抗滑桩加固黄土滑坡进行对比试验研究，研究结果表明：在加固黄土滑坡中，锚杆抗滑桩桩桩身弯矩与土体抗力分布相对普通抗滑桩更加均匀。黄士奎等[4]结合数值模拟技术与坡面位移监测，对预应力锚杆抗滑桩支护边坡的地震响应进行分析，分析结果表明：地震作用下，边坡坡面最大水平位移发生在其中下部，抗滑桩桩身弯矩呈现“S”型，桩身剪力呈现倒“S”型。

上述研究从不同角度，采用不同方式对抗滑桩+锚杆组合支护结构进行了研究，研究成果对其实际应用具有重要意义。为理清抗滑桩+锚杆组合支护结构中，抗滑桩参数的影响，本文结合实例边坡治理工程，利用数值模拟技术，对组合支护结构中抗滑桩的截面宽度、截面高度、桩长对其自身位移与内力、锚杆的轴力以及边坡治理效果的影响进行研究。

1 工程概况

某边坡工程岩土体主要为风化土、风化岩以及软岩。各岩土层均为全场地分布，但各岩土层层厚不一，同岩土层不同位置层厚也有明显差异。风化土最大层厚为8.1m、风化岩最大层厚为28.4m、软岩最大层厚为20.6m，边坡各岩土体与支护结构物理力学参数如表1所示。

表1 边坡岩土体与支护结构物理力学参数

对该边坡进行现场勘测与计算分析后，决定采用抗滑桩+锚杆组合支护结构进行支护。抗滑桩采用C30强度等级的混凝土进行浇筑，钢筋强度等级为HRB400。锚杆的水平间距为3.5m，竖向间距为3m，长度为12m，锚筋的直径为20mm，成孔方式为带螺旋钻杆的回转钻机成孔。对不同抗滑桩参数进行分组，分组结果如表2所示。值得说明的是，A类分组为抗滑桩截面宽度影响的探究、B类分组为抗滑桩截面高度影响的探究、C类分组为抗滑桩桩长影响的探究。

表2 不同抗滑桩参数分组

2 有限元模型的建立

边坡模型采用岩土领域有限元分析软件MIDAS GTS进行建立，边坡岩土体本构模型为摩尔库伦，抗滑桩与锚杆本构模型为弹性，实例边坡有限元模型如图1所示。风化土与风化岩网格划分基本尺寸为1.5m，软岩网格划分基本尺寸为3m。不同材料网格接触处共用有限元节点，保证其受力的连续与均匀。在设置分析工况前，对模型施加重力荷载与边界约束。分析工况为天然工况与表3中不同分组抗滑桩+锚杆组合支护结构支护工况。

图1 实例边坡有限元模型图

表3 不同抗滑桩截面宽度下组合支护结构的相关指标

3 数值模拟结果分析

3.1 边坡天然工况下的分析

天然工况下边坡等效塑性应变云图如图2所示。由图2可知，边坡在天然工况下，等效塑性应变明显，等效塑性应变在风化土与风化岩交界处具有一定宽度，且越靠近交界线与坡脚等效塑性应变越明显；边坡在天然工况下，稳定安全系数为1.05，不满足工程安全的要求，且极限状态下潜在滑动面贯通，边坡处于不稳定的状态。

图2 天然工况下边坡等效塑性应变云图

天然工况下边坡位移云图如图3所示。由图3可知，边坡在天然工况下，其位移较为明显，发生位移的主要区域为坡面附近的风化土区域；天然工况下，边坡的最大位移发生在靠近坡脚的坡面上，最大位移为27mm，不满足规范要求的20mm的限值。结合天然工况下边坡等效塑性应变与位移的分析可知，该边坡的确需要采取一定的支护措施。

图3 天然工况下边坡位移云图

3.2 抗滑桩截面宽度影响的分析

不同抗滑桩截面宽度下组合支护结构的相关指标如表3所示。由表3可知，随抗滑桩截面宽度的增加，抗滑桩桩顶位移在随之减小，抗滑桩桩身最大弯矩与最大剪力随之增大，锚杆最大轴力随之减小。造成上述现象的原因主要是因为抗滑桩截面宽度的增大，会使抗滑桩抵抗滑坡推力的能力增强，在组合结构中抗滑桩能够承担更大滑坡推力，从而造成其桩身内力增大，锚杆最大轴力减小。由表3还可知，抗滑桩桩身最大弯矩的增速较速较桩身最大剪力的增速要大[5-7]。

抗滑桩截面宽度对边坡稳定安全系数与最大位移影响如表4所示。由表4可得，不同截面宽度抗滑桩+锚杆支护后，边坡的稳定安全系数得到明显的提升，边坡的最大位移得到限制，且随抗滑桩截面宽度的增加，稳定安全系数逐渐升高，边坡最大位移逐渐降低。

表4 抗滑桩截面宽度对边坡稳定安全系数与最大位移影响

3.3 抗滑桩截面高度影响的分析

不同抗滑桩截面高度下组合支护结构的相关指标如表5所示。由表5可得，随抗滑桩截面高度的增加，抗滑桩桩顶位移在随之减小，抗滑桩桩身最大弯矩与最大剪力随之增大，锚杆最大轴力随之减小。造成上述现象的原因与抗滑桩截面宽度的相同，但两者的影响程度不同，抗滑桩截面高度影响的程度较截面宽度的影响更大。抗滑桩截面宽度与高度的影响程度不同，主要是因为截面宽度和高度对截面惯性矩的影响程度不同而造成的，截面高度对截面惯性矩的影响更大。

表5 不同抗滑桩截面高度下组合支护结构的相关指标

抗滑桩截面高度对边坡稳定安全系数与最大位移影响如表6所示。由表6可得，随截面抗滑桩截面高度的增加，边坡稳定安全系数逐渐升高，边坡最大位移逐渐降低；不同截面高度抗滑桩+锚杆组合支护结构支护后，边坡稳定安全系数较天然工况下均提升24.7%以上，边坡最大位移较天然工况均降低51.8%以上。

表6 抗滑桩截面高度对边坡稳定安全系数与最大位移影响

3.4 抗滑桩桩长影响的分析

不同抗滑桩桩长下组合支护结构的相关指标如表7所示。由表7可得，随抗滑桩桩长的增加，抗滑桩桩顶位移在随之减小，抗滑桩桩身最大弯矩与最大剪力随之增大，锚杆最大轴力随之减小；当抗滑桩桩长小于18m时，桩长的变化对桩顶位移、抗滑桩内力、锚杆内力的影响较为明显；当抗滑桩桩长大于18m时，桩长的变化的影响较小。通过分析可知，桩长达到一定长度时，再增加桩长的意义就不大了。

表7 不同抗滑桩桩长下组合支护结构的相关指标

抗滑桩桩长对边坡稳定安全系数与最大位移影响如表8所示。由表8可得，随截面抗滑桩桩长的增加，边坡稳定安全系数逐渐升高，边坡最大位移逐渐降低；不同桩长抗滑桩+锚杆组合支护结构支护后，边坡稳定安全系数较天然工况下均提升23.8%以上，边坡最大位移较天然工况均降低44.4%以上；当抗滑桩桩长小于18m时，桩长的变化对边坡稳定性的影响较为明显；当抗滑桩桩长大于18m时，桩长的变化对边坡稳定性的影响较小。