基于MIDAS的抗滑桩桩长影响的数值模拟研究

王春露

(阜阳市水利规划设计院有限公司，安徽 阜阳 236000)

0 引言

在边坡治理工程中，h型抗滑桩基于其自身整体刚度大、抵抗滑坡推力强、治理边坡效果显著等特点，得到广泛应用。当前，关于h型抗滑桩的研究可圈可点，且相当一部分研究成果已用于工程实践。李卿[1]利用Ansys Workbench软件，对h型抗滑桩结构形式优化进行了分析研究，结果表明：方形截面h型抗滑桩较圆形截面h型抗滑桩受力更优，反放h型抗滑桩较正放h型抗滑桩更优。何志俊[2]结合工程实例，利用数值模拟技术，对h型抗滑桩的受力特征进行了研究，结果表明：在h型抗滑桩前后排桩的相同高度处，桩身应力分布规律基本相同。丰月华等[3]基于一套自主研发的桩物理模型试验装置，对上硬下软地层中h型桩与滑坡相互作用机理进行了研究，结果表明：随着上硬下软地层中硬岩体积分数的增加，h型桩桩顶位移逐渐减小，前后排桩的最大弯矩值均逐渐减小，但当硬岩体积分数大于60%，最大弯矩值变化幅度较小。戎伟等[4]结合航道改建工程，通过现场监测技术，对H型预应力混凝土护岸桩桩土压力与桩身应力进行监测，结果表明：背水侧与临水侧的水平土压力存在差异，桩身应力大于预应力。

学者们分别从数值模拟、室内实验、现场监测的角度，对h型抗滑桩进行研究，研究成果对应用具有指导意义。然而，关于h型抗滑桩桩长影响的研究并未涉及。基于此，下文结合工程实例，对h抗滑桩工作原理进行分析，利用数值模拟技术，分别对h型抗滑桩前后排桩桩长的影响进行探究。

1 工程概况

研究中，边坡治理工程的地势大致呈西北及西南略高，由东南方向逐渐上升。研究区地质构造古老，多以泥盆纪、二叠纪和三叠纪为地质基层，以石灰岩占优势，页岩、砂岩次之，第四纪赤红壤土层为地表盖层。气候特征为：温度高、光照丰富、降水量多但分布不均衡、有夏无冬，四季交替且分明，无霜时间较长。

2 有限元模型

2.1 抗滑桩工作原理

h型抗滑桩因其形状似“h”而得名。在边坡治理中，后排桩嵌固段以上的桩身，受到的外力主要为滑坡推力；前排桩嵌固段以上的桩身，主要受到的外力为桩前坡体抗力。h型抗滑桩前后排桩：连接方式主要为连梁，其次为前后排桩间土。在实际计算中，通常将前后排桩间土，按土弹簧进行考虑。连梁将前后排桩连接，形成一个整体结构，使空间刚度大幅提升，起到协调前后排桩的抗滑作用，同时提高抵抗滑坡推力。

2.2 模型建立

边坡有限元模型采用MIDAS GTS NX进行建立，边坡按平面应变考虑，岩土体采用摩尔库伦本构模型，h型抗滑桩采用弹性模型。为保证计算的精度与速度，进行不同岩土层网格划分时，采用不同的尺寸。风化土与强风化页岩尺寸为2m，中风化页岩尺寸为4m，边坡共划分网格1595个，共生成节点1648个。连梁与前后排桩的连接为刚性连接，保证弯矩与剪力的传递。施加自重荷载、边界约束，设置天然状态分析工况与不同桩长h型抗滑桩支护工况。

2.3 计算参数选取

边坡涉及的主要岩土体类型，分别为风化土、强风化页岩、中风化页岩，3种主要的岩土体均为全场地分布，边坡岩土层物理力学指标，如表1所示。

表1 边坡岩土层物理力学性质指标

经现场勘测与计算分析，决定采用h型抗滑桩进行该边坡工程的支护。h型抗滑桩的物理力学参数，如表2所示。h型抗滑桩前后排桩的截面尺寸均为2m×3m(宽×高)，连梁截面尺寸为2m×4m(宽×高)，前后排桩净距为9m，连梁顶面在竖直方向上距后排桩桩顶为8m。h型抗滑桩所采用钢筋等级为HRB400，采用的混凝土强度等级为C30，采用的成孔方式为机械成孔。当对h抗滑桩前排桩桩长影响进行研究时，保持后排桩桩长为24m；当对h抗滑桩后排桩桩长影响进行研究时，保持前排桩桩长为16m。

表2 h型抗滑桩的物理力学参数

3 数值模拟结果分析

3.1 天然状态下边坡稳定性

绘制天然状态下边坡等效塑性应变云图。结果表明，边坡天然状态下等效塑性应变明显，且等效塑性应变区有一定的宽度；边坡等效塑性应变最为明显的位置位于岩土层的交界面处；边坡等效塑性应变区贯通，即边坡在极限状态下潜在滑动面贯通，此时，边坡的稳定安全系数为1.05，边坡稳定性较差。

绘制天然状态下边坡位移云图，可知：天然状态下，边坡最大位移为36.7mm，不满足规范要求的20mm，最大位移发生在坡面靠近坡脚的位置。在发生明显位移的岩土体区域，从上到下坡面位移逐渐增大。这主要是因为，边坡潜滑块在自身重力作用下向坡脚汇集，最终导致位移增加。

3.2 前排桩桩长影响

不同前排桩桩长h抗滑桩的桩顶位移与最大桩身弯矩，如表3所示。由表3可知，随着前排桩桩长的增加，h型抗滑桩后排桩桩顶位移随之减小，且前排桩桩长的变化对后排桩桩顶位移的影响逐渐减小。当前排桩桩长大于18m时，前排桩桩长的变化对后排桩桩顶位移影响很小，此时的后排桩桩顶位移已能很好地满足规范的位移要求；h型抗滑桩前排桩桩身最大弯矩是明显大于后排桩桩身最大弯矩；随前排桩桩长的变化，桩身最大弯矩变化不大。因此，可以默认前排桩长度变化，对h型抗滑桩前后排桩桩身最大弯矩基本没有影响[5-6]。

表3 不同前排桩桩长h型抗滑桩的桩顶位移与最大桩身弯矩

由表3可知，边坡经h型抗滑桩支护后，边坡稳定安全系数均提升24%以上，边坡最大位移均降低59%以上。随前排桩桩长的增加，边坡稳定安全系数呈现增加的趋势，边坡最大位移呈现减小的趋势。当前排桩桩长大于18m时，前排桩桩长的变化对边坡稳定安全系数与最大位移影响较小。因此，确认最优的h型抗滑桩前排桩桩长为18m。

3.3 后排桩桩长影响

不同后排桩桩长h抗滑桩的桩顶位移与最大桩身弯矩如表4所示。由表4可知，桩长的增加，桩顶位移逐渐减小，且桩顶位移减小的速率在逐渐变慢。随后排桩桩长的增加，h型抗滑桩前后排桩桩身最大弯矩在逐渐增大，且增加速率基本相同。当后排桩桩长大于26m时，桩长变化对桩顶位移的影响很小。在后排桩桩长相同时，h型抗滑桩前排桩桩身最大弯矩明显大于后排桩桩身最大弯矩[7-8]。

表4 不同后排桩桩长h抗滑桩的桩顶位移与最大桩身弯矩

由表4可知，随桩长的增加，边坡稳定安全系数整体呈现增加的趋势，最高提升了38.1%。边坡最大位移整体呈现减小的趋势，最多降低了86.4%。当后排桩桩长大于26m时，桩长的变化对边坡稳定安全系数与最大位移影响较小。因此，确认最优的h型抗滑桩后排桩桩长为26m。

综上所述，h型抗滑桩前排桩桩长变化对其前后排桩桩身最大弯矩基本没有影响。随前排桩桩长的增加，h型抗滑桩后排桩桩顶位移减小，边坡稳定性随之提升。当前排桩长大于18m时，前排桩桩长的影响很小。后排桩桩长的增加，h型抗滑桩后排桩桩顶位移减小。前后排桩桩身最大弯矩增大，边坡稳定性得到提升。当后排桩长大于26m时，桩长的影响对位移的影响很小。h型抗滑桩的桩长变化，主要是引起抗滑桩嵌固段长度的变化，进而对抗滑桩桩顶位移、桩身最大弯矩及边坡治理效果产生影响。当前后排桩桩长达到一定长度后，桩长的影响都会变小。

4 结论

本文结合h型抗滑桩工作原理与数值模拟技术，分别对h型抗滑桩前后排桩桩长的影响进行研究，结论如下。

(1)边坡经h型抗滑桩支护后，其边坡稳定性得到显著提升，稳定安全系数均提升超过24%，边坡最大位移均降低超过59%。

(2)h型抗滑桩前后排桩长的变化均会造成影响。随前排桩桩长的增加，h型抗滑桩后排桩桩顶位移减小，边坡稳定性提升，桩身最大弯矩基本不变；后排桩桩长的增加，使桩身最大弯矩增大。

(3)综合工程造价、抗滑桩位移、最大桩身弯矩及边坡治理效果，可知，h型抗滑桩最优的前排桩桩长为18m，最优的后排桩桩长为26m。