王秀麗, 董文燕, 金兆鑫

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

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品字型抗滑樁對(duì)滑坡的加固效果研究*

王秀麗1,2, 董文燕1,2, 金兆鑫1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

摘要:利用FLAC3d程序?qū)σ越M為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)的品字型抗滑樁對(duì)于滑坡的加固效果進(jìn)行研究。其中，品字型抗滑樁分為無(wú)、有樁頂連梁兩種形式。通過(guò)模擬計(jì)算，對(duì)在布置無(wú)、有樁頂連梁的品字型抗滑樁時(shí)，坡體的安全系數(shù),樁的側(cè)向位移、彎矩、剪力進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比得出：樁頂有連梁時(shí)，坡體的安全系數(shù)明顯增加；樁的側(cè)向位移明顯減少，且一組中各樁的位移基本一致；樁頂彎矩明顯增大，且滑動(dòng)面以上各樁彎矩分布相對(duì)均勻，滑動(dòng)面以下各樁彎矩相對(duì)有所減小；樁頂剪力均有所增加，滑動(dòng)面以上，前排樁剪力峰值減小，后排樁剪力峰值增大，各樁的剪力幅度比較均勻。再通過(guò)將布置樁頂有連梁品字型抗滑樁與前后排相對(duì)應(yīng)的無(wú)連梁雙排抗滑樁進(jìn)行對(duì)比，得出前者坡體的安全系數(shù)大，樁的側(cè)向位移小，且節(jié)約材料，進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)越性。因此，在抗滑樁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)中，樁頂有連梁品字型抗滑樁是更值得推廣的結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞:FLAC3d；滑坡；品字型抗滑樁；樁頂連梁

在抗滑支擋結(jié)構(gòu)形式中，抗滑樁因具有抗滑能力強(qiáng)、不易惡化滑坡、適用條件廣泛、施工起來(lái)安全簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)在治理滑坡時(shí)被廣泛應(yīng)用。對(duì)于中小型滑坡，一般布置單排抗滑樁即可。但對(duì)于大型滑坡的治理，普通的單排抗滑樁由于需要采用很大的截面面積而常常無(wú)法滿足實(shí)際工程的需要。因此，實(shí)際工程中常采用雙排抗滑樁來(lái)提供更大的抗滑力來(lái)解決單排樁抗滑能力不足的問(wèn)題。目前，雙排抗滑樁的形式分為排架抗滑樁、門架式雙排抗滑樁、h型排架抗滑樁、拱形單元組合抗滑樁、框架式抗滑樁等。很多學(xué)者對(duì)不同形式的抗滑樁進(jìn)行了相應(yīng)的研究。蔡袁強(qiáng)等[1-2]通過(guò)建立雙排樁(排架)的理想彈塑性模型，分析了雙排樁的內(nèi)力和變形特性。年廷凱等[3]對(duì)常規(guī)雙排樁、等效錯(cuò)列雙排樁及等間距錯(cuò)列雙排樁三種布樁形式下，抗滑樁-邊坡體系整體穩(wěn)定性及樁身內(nèi)力分布情況進(jìn)行了研究。鄒盛堂等[4]通過(guò)對(duì)門架式雙排抗滑樁與普通雙排抗滑樁的有限元分析，對(duì)比得到門架式雙排抗滑樁的位移、內(nèi)力明顯小于后者。錢同輝等[5]將雙排門架式抗滑樁視為樁梁巖土共同作用的單層多跨框架結(jié)構(gòu)，分析其內(nèi)力和變形。申永江等[6]通過(guò)建立雙排抗滑樁有限元模型，分析樁頂連接方式對(duì)抗滑樁的側(cè)向位移分布和內(nèi)力分布的影響，找出最優(yōu)的樁頂連接方式。張小丁等[7]對(duì)h型抗滑樁的受力特征和變形特征等進(jìn)行了數(shù)值分析。歐孝奪等[8]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算，對(duì)h型抗滑樁的受力及變形特征進(jìn)行了相應(yīng)研究。余艷霞[9]對(duì)拱形單元組合抗滑樁的結(jié)構(gòu)形式和樁頂位移等進(jìn)行了研究。錢同輝[10]提出了一種基于空間協(xié)同作用的框架式抗滑樁設(shè)計(jì)方法及其受力分析模型，運(yùn)用空間協(xié)同分析機(jī)理對(duì)框架式抗滑樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形規(guī)律進(jìn)行了分析。上述這些研究針對(duì)的都是常規(guī)的雙排抗滑樁，目前，一些工程中開始采用可以以組為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)的抗滑樁，如品字型抗滑樁。品字型抗滑樁又可分為樁頂無(wú)連梁和有連梁這兩種形式。對(duì)于這種比較新型的組合抗滑樁形式，在工程中常根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究比較少，設(shè)計(jì)理論比較缺乏，因此本文就品字型抗滑樁對(duì)滑坡的加固效果進(jìn)行研究，以期對(duì)其設(shè)計(jì)有所幫助。

1計(jì)算模型及巖土參數(shù)選取

本文采用有限元程序ANSYS建立邊坡三維模型，利用接口軟件形成FLAC3d數(shù)值計(jì)算模型(圖1)，模型長(zhǎng)度541 m，高度165 m，厚度15 m?？够瑯?，連梁采用結(jié)構(gòu)單元模擬。厚度15 m的模型設(shè)立兩組抗滑樁?？够瑯恫捎弥睆綖?.8 m的圓形樁，樁長(zhǎng)35 m。每組抗滑樁的樁中心距為4 m，兩組抗滑樁的樁群中心距為7 m。連梁的截面尺寸為2 m×2 m。抗滑樁形式如圖2所示。樁和巖土體的基本參數(shù)見(jiàn)表1。巖土體材料采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，抗滑樁及樁頂連梁采用彈性模型。模型邊界條件：模型左右兩側(cè)邊界平面法向約束，下邊界平面水平和豎向約束，上邊界面為自由表面。

圖1　計(jì)算模型

圖2　抗滑樁形式

材料類型重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa滑體2222.40.273013滑帶18.550.3510.219滑床2021.50.292522抗滑樁及連梁25200000.30

2三維模型數(shù)值模擬結(jié)果分析

在計(jì)算參數(shù)相同的情況下，建立布置無(wú)、有樁頂連梁的品字型抗滑樁的坡體三維模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出相應(yīng)的坡體的安全系數(shù)、樁的側(cè)向位移、樁的彎矩和剪力，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1坡體安全系數(shù)

采用有限元程序ANSYS建立邊坡三維模型，利用接口軟件形成FLAC3d數(shù)值計(jì)算模型。運(yùn)用強(qiáng)度折減法求坡體在初始狀態(tài)下的安全系數(shù)。坡體在初始狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.04，屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要加固。采用布置抗滑樁的方式進(jìn)行加固。當(dāng)布置樁頂無(wú)連梁的品字型抗滑樁時(shí)，坡體的安全系數(shù)為1.28，其安全系數(shù)相對(duì)于初始狀態(tài)下的安全系數(shù)增加了23%，說(shuō)明布置抗滑樁起到了抗滑的效果。當(dāng)布置樁頂帶連梁的品字型抗滑樁時(shí)，坡體的安全系數(shù)為1.52，其相對(duì)樁頂無(wú)連梁時(shí)安全系數(shù)增加了19%，說(shuō)明樁頂設(shè)連梁時(shí)，抗滑效果更好。分析樁頂設(shè)連梁時(shí)，安全系數(shù)增加的主要原因是連梁將品字形的三根獨(dú)立的樁連接起來(lái)，形成一個(gè)整體，一方面發(fā)揮三角形的穩(wěn)定性，增強(qiáng)自身的抗滑動(dòng)能力，另一方面，由于空間整體的作用，土體的移動(dòng)受到阻礙，安全系數(shù)增大。

2.2樁的側(cè)向位移

圖3為兩種抗滑樁的樁身側(cè)向位移分布圖。由圖3可知，樁頂無(wú)連梁時(shí)，3根抗滑樁的樁頂位移不同，且最大位移為90.86 cm；樁頂有連梁時(shí)，3根抗滑樁的位移幾乎一致，最大位移為80.18 cm。由此可以看出，由于樁頂連梁的布置，約束抗滑樁的側(cè)向位移，使得各樁的位移變的基本一致，且最大位移明顯減小。分析產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因：由于樁頂有連系梁剛接，形成空間整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的剛度增大，位移減?。涣硗?，由于連梁的連接，使得各樁的變形相協(xié)調(diào)，位移基本一致。

(a) 無(wú)連梁 (b)有連梁圖3　樁身側(cè)向位移分布

2.3樁的彎矩

圖4為這兩種抗滑樁的樁身彎矩分布圖。由圖4可知，由于樁頂連梁的布置，樁頂彎矩明顯增大，滑動(dòng)面以上，各樁彎矩分布相對(duì)更加均勻，滑動(dòng)面以下，各樁最大彎矩相對(duì)有所減小。分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因：由于樁頂有連梁的品字型抗滑樁形成超靜定剛架結(jié)構(gòu)，樁梁連接處形成反彎矩，從而減小滑動(dòng)面以下的最大彎矩，滑動(dòng)面以上，由于樁頂連梁對(duì)各樁的協(xié)調(diào)作用，使得各樁受力更加均勻，分布更加合理。

(a) 無(wú)連梁 (b) 有連梁圖4　樁身彎矩分布

2.4樁的剪力

圖5為這兩種抗滑樁的樁身剪力分布圖。由圖5可知，樁頂有連梁時(shí)，一組中各樁的樁頂剪力有所增加，滑動(dòng)面以上，前排抗滑樁剪力峰值減小，后排抗滑樁剪力峰值增大，各樁的剪力幅度比較均勻。

(a)無(wú)連梁 (b) 有連梁圖5　樁身剪力分布

綜上分析可得，坡體布置樁頂有連梁品字型抗滑樁時(shí)，坡體的安全系數(shù)更高，樁身位移明顯減小，彎矩和剪力分布更加均勻合理。因此，實(shí)際工程中，可以建議采用樁頂帶連梁的品字型抗滑樁。

3進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)越性

為進(jìn)一步驗(yàn)證樁頂帶連梁品字型抗滑樁的優(yōu)越性，在同等面積上，布置前后排相對(duì)應(yīng)抗滑樁，如圖6所示，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到布置前后排相對(duì)應(yīng)的抗滑樁時(shí)：坡體的安全系數(shù)為1.28，抗滑樁樁頂最大位移為82.73 cm。而由前述已知布置樁頂有連梁品字型抗滑樁時(shí)，坡體的安全系數(shù)為1.52，抗滑樁樁頂最大位移為80.18 cm。對(duì)比可得，布置普通的前后排相對(duì)應(yīng)的抗滑樁時(shí)，其安全系數(shù)明顯小于布置樁頂帶連梁品字型抗滑樁時(shí)的安全系數(shù)，抗滑樁樁頂最大位移稍大于品字型抗滑樁位移。另外，同等面積上，普通的需要布置8根抗滑樁，品字型時(shí)需布置6根抗滑樁和2組連梁。比較2根抗滑樁和2組連梁的體積?？够瑯稑堕L(zhǎng)35 m，圓形截面，直徑1.8 m，所以一根抗滑樁的體積約為89 m3。連梁的截面為2 m×2 m，一組樁頂連梁的總體積約為40 m3。由此可見(jiàn)，設(shè)置一組樁頂連梁所需的材料僅約為一根抗滑樁所需材料的1/2。因此，布置樁頂有連梁的品字型抗滑樁，既可以增大安全系數(shù)，減小樁頂位移，又可以節(jié)約材料，節(jié)省造價(jià)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)越性。

圖6　不同形式抗滑樁

4結(jié)論

(1)品字型抗滑樁樁頂有連梁和無(wú)連梁，在其他各項(xiàng)參數(shù)相同的情況下，治理滑坡時(shí)，坡體的安全系數(shù)分別為1.52和1.28，可見(jiàn)樁頂有連梁下的安全系數(shù)更高。

(2)樁頂有連梁的品字型抗滑樁樁頂最大側(cè)向位移為80.18 cm，無(wú)連梁時(shí)，樁頂最大側(cè)向位移為90.86 cm。可見(jiàn)有連梁時(shí)，最大側(cè)向位移顯著減小。主要原因?yàn)槿?dú)立的品字型抗滑樁在樁頂連梁的作用下，形成空間整體結(jié)構(gòu)，使得兩者之間有較好的協(xié)調(diào)作用，整體剛度增大，從而可以減小樁頂?shù)淖畲髠?cè)向位移，使得彎矩和剪力分布更加均勻，各抗滑樁受力更加合理，使得各樁都充分發(fā)揮作用。

(3)樁頂設(shè)置連梁與單純的增加抗滑樁的數(shù)量相比，設(shè)置連梁時(shí)，安全系數(shù)為1.52，一組連梁的總體積為40 m3。單純的增加一根抗滑樁時(shí)，安全系數(shù)為1.28，一根抗滑樁體積為89 m3?？梢?jiàn)設(shè)置連梁時(shí)安全系數(shù)高，節(jié)約材料，因此更加經(jīng)濟(jì)合理。

(4) 綜合安全系數(shù)，側(cè)向位移，內(nèi)力，經(jīng)濟(jì)等影響因素，在抗滑樁結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)中，樁頂有連梁品字型抗滑樁是更值得推廣的抗滑支擋結(jié)構(gòu)形式。

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Research on Reinforcement Effect on Landslide withTriangle Anti-slide Piles

Wang Xiuli1, 2, Dong Wenyan1, 2and Jin Zhaoxin1, 2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China; 2.WesternEngineering

ResearchCenterofDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,Lanzhou730050,China)

Abstract:By using the FLAC3dprogram, the reinforcement effect on landslide with triangle anti-slide piles which designed by the unit of group is researched. The triangle anti-slide piles can be divided into two forms by whether having the tie beams. By simulate calculation, in arrangement for triangle anti-slide piles on the slope, FOS of slope, side displacement of piles, bending moment and shear stress of piles are compared and analyzed. Results show that the FOS of slope increase obviously when there are beams between the piles; side displacement of each pile in a group is basically the same; The bending moment of pile top increases obviously, the distribution of the bending moments is relatively uniform above the sliding surface, and those below decrease relatively; the shear stress of each pile tip has increased, above the sliding surface the shear stress peak of the front row has decreased, the back row has increase, and the amplitude of each pile is uniform. Then compared with the common double rows, it can seen that, when layout the triangle anti-slide piles, the FOS of slope is bigger, the displacement is small, and they can save material to prove its superiority. Above all, the triangle anti-slide piles which have beams on its top is a structure form more worthy in the anti-slide piles design.

Key words:FLAC3d; landslide; triangle anti-slide piles; pile tip tie beam

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.002

中圖分類號(hào)：P315； X43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-811X(2015)02-0008-04

作者簡(jiǎn)介：王秀麗(1963-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事大跨度空間結(jié)構(gòu)及滑坡泥石流防治工程技術(shù)研究. E-mail:wangxl@lut.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK12B07)

收稿日期：*2014-10-10修回日期：2014-11-20