溫祥虎，葉四橋，2，毛曉光

(1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074;2.重慶市地勘局，重慶 400074;3.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院，武漢 430023)

0 引言

目前，治理推力較大的滑坡，當(dāng)使用單排抗滑樁難以有效支檔或結(jié)構(gòu)受力不合理時(shí)，可以采用雙排抗滑樁.為探討雙排抗滑樁受力特性，一些學(xué)者為此進(jìn)行了研究分析.熊治文等［1］，何頤華等［2］，楊明輝等［3］等進(jìn)行了雙排抗滑樁實(shí)驗(yàn)研究;王成華等［4］，王乾坤［5］，韓愛民等［6］，張建勛［7］，周德培等［8］等進(jìn)行了抗滑樁樁間距和土拱效應(yīng)研究分析;毛曉光［9］，黃小艷等［10］等對(duì)雙排抗滑樁樁間距進(jìn)行了初步的研究分析.然而以上學(xué)者基本上是對(duì)單排樁或者樁頂無(wú)連接雙排抗滑樁進(jìn)行的研究，而對(duì)機(jī)械鉆孔的樁頂有連接的雙排抗滑樁還有待于進(jìn)一步研究.尤其是現(xiàn)階段在推力較大的滑坡的治理中，探索性采用具有施工安全、速度快、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)的雙排式鉆孔抗滑樁時(shí)，有必要搞清楚樁間距對(duì)雙排式鉆孔抗滑樁的影響規(guī)律.

本文采用有限元程序ABAQUS 建立雙排式鉆孔抗滑樁的有限元三維分析模型，其它條件不改的情況下，分別改變模型中樁間距，進(jìn)行單因素分析.利用有限元分析計(jì)算結(jié)果，并以樁頂位移、樁身彎矩最大值、樁身剪力最大值和前后排樁承擔(dān)滑坡推力的比例為分析指標(biāo)，分別作出不同樁間距下關(guān)系曲線圖，探討其影響規(guī)律，確定其較優(yōu)的樁間距范圍，從而為雙排式鉆孔抗滑樁設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù).

1 有限元分析模

1.1 基本假定

(1)滑坡巖土體本構(gòu)模型采用Drucker-Prager模型，滑床巖土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型;由于抗滑樁主要承受水平推力結(jié)構(gòu)，所以抗滑樁的樁身采用線彈性實(shí)體梁?jiǎn)卧Ｐ?，承臺(tái)也采用線彈性實(shí)體梁?jiǎn)卧Ｐ?

(2)邊界條件:為了模擬實(shí)際工作狀態(tài)下抗滑樁的受力，根據(jù)實(shí)際受力條件設(shè)置計(jì)算范圍內(nèi)模型的邊界條件.滑坡體模型的滑床底部加三向約束，滑床左右兩側(cè)以及前后緣也加三向約束，為保證滑體不從左右兩側(cè)面邊界擠出，滑體左右兩側(cè)面加水平方向約束，滑體后邊界方向施加水平方向約束，滑體前緣面不加約束，以便滑體反翹剪出，坡頂、坡面和坡腳均不加約束.

(3)樁和土相互作用界面不考慮相對(duì)滑動(dòng)，在接觸界面上采用Goodman 無(wú)厚度單元定義摩擦接觸面，在接觸面上共用有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，以滿足變形協(xié)調(diào)條件.

(4)承臺(tái)與前后排樁采用剛結(jié)點(diǎn)連接，可以傳遞彎矩和剪力.滑坡推力通過(guò)樁和巖土體的相互作用傳遞到抗滑樁上，滑坡推力在前后兩排樁上分擔(dān)，主要通過(guò)前后兩排樁與承臺(tái)及樁間土體的共同作用實(shí)現(xiàn).

1.2 材料參數(shù)

1.2.1 模型尺寸

在相同的滑坡條件下，建立雙排式鉆孔抗滑樁的有限元三維分析模型(見圖1)，樁長(zhǎng)16 m，樁徑為d=1 m，滑動(dòng)面以上10 m，嵌入滑床6 m，樁間距S，排間距4 m，承臺(tái)高度為1.5d，后排樁處滑體厚度為10 m，滑面的傾角0°，在后排樁后留5 m 巖土體處，為模擬滑坡推力，在滑體后表面豎向加40 kN/m的水平均布載荷.前后排樁分別建立5 根樁，多取前后排樁最中間一根樁進(jìn)行樁身的位移和內(nèi)力分布及兩排樁承擔(dān)荷載比例分析.模型縱斷面示意圖見圖2.

為便于文章陳述，作如下規(guī)定:首先承擔(dān)滑坡的推力且位于滑坡后部的排樁為后排樁;則位于滑坡前部另一排樁為前排樁.

圖1 有限元分析模型

圖2 雙排式鉆孔抗滑樁的縱斷面

1.2.2 模型材料參數(shù)

模型樁身與承臺(tái)鋼筋混凝土采用強(qiáng)化拉伸塑性應(yīng)力-應(yīng)變的等效鋼筋混凝土［11］，抗拉強(qiáng)度f(wàn)c=2.4 ×106Pa，抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=2.4 ×107Pa.模型的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 模型的物理力學(xué)參數(shù)

2 樁間距的影響數(shù)值模擬結(jié)果分析

在ABAQUS 中建立雙排式鉆孔抗滑樁的有限元三維分析模型，在滑體推力、排間距、樁長(zhǎng)、樁徑等滑坡條件不改的情況下，變動(dòng)模型中樁間距S，S分為2d、3d、4d、5d、6d 進(jìn)行單因素分析.對(duì)有限元計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析，并以樁頂位移、樁身彎矩最大值、樁身剪力最大值和前后排樁承擔(dān)滑坡推力的比例為分析指標(biāo)，作出不同樁間距下關(guān)系曲線圖，分析結(jié)果如下:

2.1 樁間距對(duì)樁頂位移的影響

不同樁間距與樁頂位移關(guān)系曲線如圖3 所示，樁頂位移的變化受樁間距的影響很明顯，樁頂位移和樁間距呈現(xiàn)正相關(guān)性，隨著樁間距增大，樁頂位移增大.表明，在確定的排間距時(shí)，隨著樁間距增大，而每延米的滑坡推力不變，每根樁承擔(dān)滑坡推力成正比例增大，樁頂位移也隨之增大，直到樁間距過(guò)大滑坡土體從樁間擠出，雙排抗滑樁失效.

圖3 樁間距與樁頂位移關(guān)系圖

2.2 樁間距對(duì)樁身彎矩的影響

不同樁間距與前后排樁樁身彎矩圖分別如圖4、5 所示，由圖知，隨著樁間距的變化，前后排樁樁身彎矩最大值位置基本不變，前后排樁樁身彎矩分布變化很小，而對(duì)樁身彎矩最大值影響明顯.不同樁間距與前后排樁的樁身彎矩最大值得關(guān)系曲線如圖6 所示，分析可得，隨著樁間距的增大，前后排樁的樁身彎矩最大值增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性.表明，在確定的排間距時(shí)，隨著樁間距增大，而每延米的滑坡推力不變，每根樁承擔(dān)滑坡推力成正比例增大，樁身最大正彎矩值和樁頂負(fù)彎矩值明顯增大，直到樁間距過(guò)大滑坡土體從樁間擠出，雙排抗滑樁失效.

圖4 前排樁樁身彎矩圖

圖5 后排樁樁身彎矩圖

圖6 樁間距與樁身彎矩最大值關(guān)系圖

2.3 樁間距對(duì)樁身剪力的影響

不同樁間距與前后排樁樁身剪力圖分別如圖7、8 所示.

圖7 后排樁樁身剪力圖

圖8 前排樁樁身剪力圖

由圖知，隨著樁間距的變化，前后排樁樁身剪力最大值位置基本不變，前后排樁樁身剪力分布變化很小，而對(duì)樁身剪力最大值影響明顯.不同樁間距與前后排樁的樁身剪力最大值得關(guān)系曲線如圖9所示，分析可得，隨著樁間距的增大，前后排樁的樁身最大剪力值增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性.表明，在確定的排間距時(shí)，隨著樁間距增大，而每延米的滑坡推力不變，每根樁承擔(dān)滑坡推力成正比例增大，樁身最大剪力值和樁頂剪力值明顯增大，直到樁間距過(guò)大滑坡土體從樁間擠出，雙排抗滑樁失效.

圖9 樁間距與樁身剪力最大值關(guān)系圖

2.4 樁間距對(duì)前后排樁承擔(dān)推力比例的影響

對(duì)于樁身，土體的變形引起的樁后的土壓力就是滑坡推力;對(duì)于圓形樁，將樁周法向土壓力分解換算成滑坡推力方向上的力，乘以作用范圍內(nèi)的面積，就是樁所承擔(dān)的推力［9］.定義荷載分擔(dān)比例:為前排樁或者后排樁所承擔(dān)的荷載占前后兩排抗滑樁所承擔(dān)的總荷載的百分比例［12］.

不同樁間距與前后排樁承擔(dān)滑坡推力比例關(guān)系曲線如圖10 所示，在樁間距較小時(shí)，后排樁承擔(dān)滑坡推比例越大，而前排樁承擔(dān)的滑坡推力比例越小，隨著樁間距的增大，后排樁承擔(dān)滑坡推比例減小，而前排樁承擔(dān)的滑坡推力比例增大，前后排樁有承擔(dān)的滑坡推力比例均分的趨勢(shì)，最終，隨著樁間距的增大，后排樁承擔(dān)滑坡力推比例增大，而前排樁承擔(dān)的滑坡推力比例減少.

圖10 樁間距與前后排樁承擔(dān)滑坡推力比例關(guān)系圖

雙排式鉆孔抗滑樁通過(guò)把樁頂?shù)某信_(tái)前后兩排樁連接，提高了承載能力，又通過(guò)機(jī)械鉆孔施工提高了施工的速度.本文研究的雙排式鉆孔抗滑樁主要采用干式旋挖鉆孔灌注樁技術(shù)，具有不需要泥漿護(hù)壁，成樁質(zhì)量高，施工速度快、安全性好、節(jié)省造價(jià)等優(yōu)點(diǎn).綜合表明，在確定的排間距時(shí)，在樁間距小于3d 較小時(shí)，由于后排樁對(duì)前排樁的遮蔽作用，前排樁的土拱效應(yīng)不明顯，表現(xiàn)為后排樁承擔(dān)的滑坡推力比例較大，而前排樁承擔(dān)的滑坡推力比例較小，不利于發(fā)揮共同前后排樁的抗滑效果.在樁間距在3d～6d 時(shí)，前后排樁的土拱效應(yīng)明顯，表現(xiàn)為前后排樁承擔(dān)的滑坡推力比例差距較小，有利于充分發(fā)揮前后排樁的抗滑效果.在樁間距在大于6d 時(shí)，前后排樁的土拱效應(yīng)不明顯［9，14］，表現(xiàn)為前后排樁承擔(dān)的滑坡推力比例差距明顯，不利于發(fā)揮共同前后排樁的抗滑效果;一般認(rèn)為抗滑樁治理邊坡后，結(jié)構(gòu)的樁前水平位移越小，則認(rèn)為治理效果越好［12］，所起取雙排式鉆孔抗滑樁結(jié)構(gòu)的樁頂整體水平位移作為衡量其治理滑坡效果的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，所以認(rèn)為樁間距不宜大于6d.

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隨樁間距的增大，雙排式鉆孔抗滑樁前后排樁的樁頂最大位移增大，前后排樁樁身彎矩和剪力最大值位置基本不變，前后排樁樁身彎矩和剪力的分布變化很小，而對(duì)樁身最大彎矩值和最大剪力值影響明顯，直到樁間距過(guò)大不能形成有效的土拱效應(yīng)滑坡土體從樁間擠出，雙排抗滑樁失效.

(2)在樁間距較小時(shí)，前后排樁承擔(dān)滑坡推力比例差距較大;隨著樁間距的增大，前后排樁承擔(dān)滑坡推比例有均分的趨勢(shì)，最終，隨著樁間距的增大，前后排樁承擔(dān)滑坡推力比例又相差較大.

(3)樁間距取3d～6d，既能前后排樁的土拱效應(yīng)越明顯，又能使前后排樁承擔(dān)的滑坡推力比例差距較小，在雙排式鉆孔抗滑樁的設(shè)計(jì)中，建議取3d～6d樁間距作為參考范圍.

(4)本數(shù)值模擬中作了假設(shè)和簡(jiǎn)化，實(shí)際工程中排間距、滑體特性等也是影響因素，建議在考慮滑體的特性情況下變化樁間距和排間距進(jìn)一步研究.

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