抗滑桩加固高边坡受力特征影响因素分析

2024-02-24张桂芹

城市道桥与防洪 2024年1期

张桂芹

（山东智行咨询勘察设计院，山东德州 253000）

0 引言

滑坡作为一种全球性的重大地质灾害常造成巨大的社会影响。抗滑桩是滑坡治理手段中最为有效和合理的手段之一。抗滑桩在滑坡灾害治理中，桩体的截面尺寸、截面形式以及布桩位置是决定抗滑桩安全可靠的主要影响因素。因此如何对抗滑桩进行合理设计也是国内外学者研究的重点与难点。马辉和廖小平[1]基于理论推导，研究并提出了两种新型抗滑桩结构的受力特征，采用工程实例验证了结论的可行性，研究成果可为相似工程提供经验借鉴。王茂珲等[2]基于FLAC3D 手段研究了梯形抗滑桩截面侧角的土拱效应，提出了合理的桩截面侧角的取值范围，并进一步采用工程实例验证了梯形抗滑桩的合理布置形式。汪浩等[3]采用有限元方法，研究了锚拉抗滑桩的受力性能，并给出了桩身截面尺寸对桩体的受力影响，保证了抗滑桩加固边坡的有效性。杜兆萌和肖世国[4]采用理论解析的手段研究了加固膨胀土边坡的单排抗滑桩受力性能。结果表明，考虑土体的膨胀力时，桩身剪力计算值会显著增大，且剪力与膨胀力呈正比；反之，如果不考虑膨胀力剪力约降低80%～90%。彭瑜等[5]基于室内物理模型试验研究了梯形断面竖向预应力锚索抗滑桩的受力性能。结果表明，其他条件不变的情况下，梯形抗滑桩的受力性能和破坏形态均优于矩形抗滑桩。赵军等[6]基于强度折减法研究了多排抗滑桩在大型滑坡治理中的受力特征。结果表明，对于滑面较长和下滑力较大的滑坡治理中，多排抗滑桩加固效果明显比单排桩更优，多排桩可大大改善桩的受力性能，确保边坡稳定。李家平等[7]基于瑞典法和Bishop 法分析抗滑桩加固边坡效果。提出了治理所需的最小抗滑力的计算方法，并在此基础上给出了抗滑桩的合理设计模型。王旋等[8]基于物理模型试验研究了滑坡- 抗滑桩位移场变化特征。结果表明，降雨和库水位波动是影响水库滑坡位移场变化的2 个主要因素。刁海珠[9]基于FLAC3D研究了桩位、桩长对于抗滑桩的加固效果。结果表明，桩位越靠近边坡中部，加固效果最好，此外，在一定范围内，边坡的稳定性随桩长的增大而提高。

本该基于数值模拟研究了抗滑桩应用于边坡治理中桩的受力性能，考虑了桩径、桩嵌固端长度和桩位3 个关键因素对桩身内力分布影响。本文的研究可为类似工程提供参考。

1 工程概况

随着区域经济社会快速发展及城镇化水平的不断提高，省际间的经济交流与合作将更加密切，现状路网结构已不能满足因经济快速发展而大幅增长的交通量的需求。目前G240 河北省境内全线已贯穿通车，山东省境内无高等级道路与之连接，已成为省际路网中的“断头路”。为此，开展G240 保台线武城县鲁冀界至杨官屯段改建工程。项目全长为24.150 km，包括新建段长16.269 km，加铺罩面段长5.376 km，路面改造段长2.505 km；四车道路段路面宽22 m，路基宽24.5、25.5 m ，六车道路段路面宽30 m，路基宽32.5 m；全线路基土方948.025 km3；地下排水设施6.84 km（单侧）；沥青路面627.431 km2；中桥173.28 m/4 座，小桥163.64 m/6 座；涵洞64 道（新建56 道、拆除重建3 道、接长利用2 道、原涵利用3道）；利用分离立交1 处，平面交叉17 处，停车区1处；监控设施9 套，非现场执法设备1 套，交调设施3套。施工中路段高边坡受强降雨影响，发现边坡后缘出现多条拉张裂缝，并呈扩展趋势，采用抗滑桩进行处理。

2 模型建立及分析方法

2.1 模型建立与网格划分

基于ABAQUS 数值模拟建立计算模型，采用平面应变进行简化。模型边界为：左右两侧约束水平方向位移，底部为固定约束，顶部为自由边界。其中边坡总宽度为82 m，左侧高度为24 m，右侧高度为47 m，坡度为1∶1.35。模型见图1。

图1 滑坡数值模型图

2.2 计算参数选取

边坡主要由碎石土土构成，滑坡土体及抗滑桩的物理力学参数见表1。抗滑桩与土体的接触为：法向采用硬接触，切向采用罚函数，切向摩擦系数设为0.40。

表1 岩土体物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 桩径的影响

图2 汇总得到了桩径分别为1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m 情况下，桩身弯矩随桩长变化规律。结果表明，在保持桩长不变的情况下，桩身弯矩随桩长先增大后减小。在桩长15 m 的时候，桩身弯矩达到最大值。当桩径为2.5 m 时，最大弯矩为17000 kN·m。但当桩径较小时，桩身出现多个反弯点。

图2 不同桩径下桩身弯矩随桩长变化

图3 为不同桩径下桩身剪力随桩长变化，建剪力的变化规律与弯矩变化基本一致，随桩径增大，反弯点个数减少。图4 为抗滑桩布置后，边坡的稳定系数变化规律，结果表明，随着桩径的增大，边坡的稳定系数逐渐增大，但稳定系数增大的速率逐渐趋于平缓，最终趋于1.0。因此增大抗滑桩直径对于边坡的加固效果是有利的。

图3 不同桩径下桩身剪力随桩长变化

图4 不同桩径下桩身边坡稳定系数

3.2 嵌固层深度的影响

为了进一步研究嵌固段深度对抗滑桩加固效果的影响，本文以桩径为2.0 m 为例，计算了嵌固段深度分别为3 m、6 m 和8 m 时，抗滑桩桩身弯矩、剪力以及桩身位移的分布规律。

图5 和图6 为不同嵌固段下桩身弯矩和剪力随桩长变化。结果表明，桩身弯矩以及剪力在嵌固段为8 m 时处于最大值，3 m 时处于次大，而当抗滑桩嵌固段深度为6 m 时，桩身弯矩、剪力以及位移均为最小。弯矩最大值为11000 kN·m，剪力最大值为1200 kN。从该角度来看，嵌固段深度取6 m 较为合理。