溫祥虎， 葉四橋， 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.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州　510230；　3.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局， 重慶　400074；　4.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢430023)

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懸臂式雙排樁與承臺(tái)式雙排樁的對(duì)比研究

溫祥虎1,2， 葉四橋1，3， 毛曉光4

(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.中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 廣州510230；3.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局， 重慶400074；4.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢430023)

[摘要]為厘清懸臂式雙排樁和承臺(tái)式雙排樁的內(nèi)力和位移分布特性及適用性，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件分別建立兩者的三維分析模型，對(duì)兩者的位移和內(nèi)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，得出：懸臂式雙排抗滑樁的前后排樁的彎矩和剪力分布差距較大，承臺(tái)式雙排抗滑樁的前后排樁的彎矩和剪力分布比較接近，前排樁受壓力和后排樁受拉力，產(chǎn)生力矩來抵抗傾覆，且后者比前者的位移小。選取承臺(tái)式雙排抗滑樁的工程實(shí)例分析，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)承臺(tái)式雙排抗滑樁前后排樁的位移和彎矩分布較接近，與數(shù)值模擬分析規(guī)律相一致，建議在雙排抗滑樁的設(shè)計(jì)中采用承臺(tái)式雙排抗滑樁。

[關(guān)鍵詞]懸臂式雙排樁； 承臺(tái)式雙排樁； 滑坡； 對(duì)比分析； 工程實(shí)例

1概述

目前，在公路、鐵路、水利等推力較大的滑坡治理中，當(dāng)使用單排抗滑樁難以有效或者結(jié)構(gòu)受力不合理時(shí)，可以采用雙排抗滑樁。熊治文等[1]進(jìn)行了全埋式雙排抗滑樁的室內(nèi)模型試驗(yàn)為探討其受力分布。唐芬等[2]采用有限元數(shù)值模型，探討了在不同排間距下雙排樁對(duì)推力分擔(dān)比例等問題。何頤華等[3]通過模型試驗(yàn)和工程實(shí)測(cè)，進(jìn)行雙排懸臂式護(hù)坡樁的試驗(yàn)與計(jì)算研究。周翠英等[4]提出前排樁受樁間土的作用模式及作用力的計(jì)算模型。孫勇[5，6]進(jìn)行了滑坡中雙排樁的計(jì)算方法、受力機(jī)理的研究。申永江等[7，8]利用數(shù)值模擬對(duì)比研究了錨索與剛架兩種雙排抗滑樁，并探討了排間距對(duì)雙排抗滑樁內(nèi)力規(guī)律的影響。毛曉光等[9，10]利用有限元三維數(shù)值模擬，對(duì)雙排抗滑樁樁頂有無連梁進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行了小直徑雙排抗滑樁室內(nèi)模型試驗(yàn)。鄒盛堂等[11]利用數(shù)值模擬對(duì)滑帶運(yùn)用強(qiáng)度折減法，比較分析了門架式抗滑樁與雙排抗滑樁。這些學(xué)者的研究促進(jìn)雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)受力機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

但懸臂式和承臺(tái)式兩種類型的雙排抗滑樁的的位移和內(nèi)力分布完全不同，前后排樁承擔(dān)的滑坡推力比例也不一樣，樁土之間相互作用的機(jī)制也不同。目前，對(duì)懸臂式和承臺(tái)式兩種類型的雙排抗滑樁的對(duì)比研究還較少，對(duì)兩者內(nèi)力和位移分布特性及適用性認(rèn)識(shí)還不充分。本文運(yùn)用ABAQUS有限元軟件分別建立懸臂式和承臺(tái)式兩種類型的有限元三維分析模型，將這兩者的位移和內(nèi)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，找出抗滑作用更好的結(jié)構(gòu)類型。再選取承臺(tái)式雙排抗滑樁的工程實(shí)例分析，監(jiān)測(cè)分析其前后排樁的位移和內(nèi)力分布，并與數(shù)值模擬分析規(guī)律進(jìn)行比較，從而為雙排抗滑樁計(jì)算和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2有限元分析模型

2.1基本假定

① 滑坡土體本構(gòu)采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，滑床巖體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；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汀?/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 樁和土相互作用接觸界面不考慮相對(duì)滑動(dòng)，在接觸界面上采用Goodman無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)要求。

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。滑坡推力通過樁和巖土體的相互作用傳遞到抗滑樁上?；峦屏υ谇昂髢膳艠渡戏謸?dān)，懸臂式的主要通過前后兩排樁與樁間土體的相互作用實(shí)現(xiàn)，而承臺(tái)式的主要通過前后兩排樁與承臺(tái)及樁間土體的共同作用實(shí)現(xiàn)。

⑤ 設(shè)置兩種類型的雙排抗滑樁后滑坡穩(wěn)定，但不考慮采用兩種類型的雙排抗滑樁時(shí)，對(duì)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響。

2.2材料參數(shù)

2.2.1模型尺寸

在土質(zhì)順層滑坡體中建立雙排抗滑樁，樁長(zhǎng)20 m，樁徑d=1.5 m，嵌入滑床7～8 m，排間距4d=6 m，樁間距4d=6 m，承臺(tái)高度為1.5d=2.25 m，后排樁處滑體厚度為12.5 m，滑面的傾角15°，在后排樁后留5d=7.5 m巖土體處，為模擬滑坡推力，在滑體后表面豎向加100 kN/m的水平均布載荷。前后排樁分別建立5根樁，矩形布置，多取前后排樁最中間一排樁進(jìn)行分析。模型縱斷面示意圖見圖1。

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　雙排抗滑樁的縱斷面示意圖Figure 1　Vertical section of double-row anti-slide piles

2.2.2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[12]，抗拉強(qiáng)度fc=2.4×106Pa，抗壓強(qiáng)度fc=2.4×107Pa。模型的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 模型的物理力學(xué)參數(shù)Table1 Physicalandmechanicalparametersofthemodel材料類型重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)抗滑樁及承臺(tái)25300000.18∕∕滑體土體201000.3025.030滑床巖體2450000.2584.042

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

在滑坡其他條件相同的情況下，在ABAQUS中分別建立懸臂式和承臺(tái)式兩種類型雙排抗滑樁的三維分析模型，并將這兩者的位移和內(nèi)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，找出抗滑作用更好的結(jié)構(gòu)類型。

3.1雙排抗滑樁的樁身位移分析

圖2(a)為懸臂式雙排抗滑樁的位移等值云圖，樁身位移分布圖見圖3，前后兩排樁樁頂最大位移大約相等，約為64 mm，但是后排樁的稍大于前排樁的。后排樁受到滑坡推力和嵌入滑床段的抗力，前排樁受到樁間土體傳遞的推力與樁前土體的抗力及嵌入滑床段的抗力，整體的協(xié)同受力，前后兩排樁樁頂位移大致相等。

當(dāng)為承臺(tái)式雙排抗滑樁時(shí)(見圖2(b))，類似于橋梁樁頂有承臺(tái)的群樁基礎(chǔ)，樁頂承臺(tái)剛性連接，其前后兩排樁樁頂最大位移相等，約為24 mm，樁身位移分布圖見圖3，均小于懸臂式類型的前后兩排樁的樁頂位移。可見將雙排抗滑樁樁頂通過承臺(tái)連接成整體后，兩排抗滑樁形成一個(gè)空間整體結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了空間結(jié)構(gòu)的整體性能，便于所有樁共同發(fā)揮作用，提高抗滑樁整體抗滑能力。

(a) 懸臂式(b) 承臺(tái)式

Figure 2Equivalent moire figure of double-row anti-slide pile displacement

圖3　樁身位移圖Figure 3　Piles’ displacement diagram

3.2雙排抗滑樁的樁身彎矩分析

懸臂式和承臺(tái)式兩種類型雙排抗滑樁的彎矩分布圖分別見圖4、圖5 。由圖4得：懸臂式類型中前后排樁最大彎矩值多出現(xiàn)在滑動(dòng)面附近，且樁身最大彎矩值后排樁大于前排樁，比值約為1.3，兩排樁樁頂?shù)臎]有彎矩。由圖5得：由于承臺(tái)的作用，使承臺(tái)式類型中前后排樁樁頂和滑動(dòng)面附近的彎矩多較大，滑動(dòng)面附近不一定再出現(xiàn)最大彎矩值，有時(shí)樁頂彎矩值比滑動(dòng)面附近彎矩值還大，且樁身最大彎矩值后排樁大于前排樁，比值約為1.2。

由圖4和圖5對(duì)比分析得：懸臂式雙排抗滑樁模型的最大彎矩值比承臺(tái)式雙排抗滑樁模型的最大彎矩值大，比值約為1.4，懸臂式類型的樁頂沒有彎矩，彎矩在樁身分布不均勻；而承臺(tái)式類型的樁頂彎矩較大，有時(shí)可能為最大彎矩，由于樁頂負(fù)彎矩的存在使滑動(dòng)面附近的彎矩減小，樁身彎矩分布相對(duì)均勻，有利于充分利用樁身截面，節(jié)省材料。

圖4　懸臂式雙排抗滑樁彎矩圖Figure 4　Bending moment diagram of cantilever double-row 　　　anti-slide piles

圖5　承臺(tái)式雙排抗滑樁彎矩圖Figure 5　Bending moment diagram of cushion cap double-row 　　　anti-slide piles

3.3雙排抗滑樁的樁身剪力分析

懸臂式和承臺(tái)式兩種雙排抗滑樁的剪力分布圖分別見圖6、圖7。由圖6得：懸臂式類型模型中前后排樁最大剪力值均出現(xiàn)在滑動(dòng)面附近，且樁身最大剪力值后排樁大于前排樁，比值約為1.3，兩排樁樁頂?shù)臎]有剪力。由圖7得：由于承臺(tái)的作用，使承臺(tái)式類型模型中前后排樁樁頂剪力值不再為零，最大剪力值仍然出現(xiàn)在滑動(dòng)面附近，且樁身最大剪力值后排樁大于前排樁，比值約為1.2。

圖6　懸臂式雙排抗滑樁剪力圖Figure 6　Shear force diagram of cantilever double-row 　　　anti-slide piles

圖7　承臺(tái)式雙排抗滑樁剪力圖Figure 7　Shear force diagram of cushion cap double-row 　　　anti-slide piles

由圖6和圖7對(duì)比分析得：懸臂式類型的最大剪力值比承臺(tái)式類型的最大剪力大，比值約為1.6，懸臂式類型模型的樁頂剪力值為零，剪力在樁身分布不均勻，而承臺(tái)式雙排抗滑樁模型的樁頂剪力值不再為零，由于樁頂剪力的存在使滑動(dòng)面附近的剪力減小，樁身剪力分布相對(duì)均勻，有利于充分利用樁身截面，節(jié)省材料。

3.4雙排抗滑樁的樁身軸力分析

懸臂式雙排抗滑樁一般不受豎向力，重力起主要作用，滑動(dòng)面以上部分樁身受到滑體向上的正摩阻力，滑動(dòng)面以下樁身部分受到向下的負(fù)摩阻力，使樁身整體受拉力，受到的軸力最大值后排樁大于前排樁[9]。表明受到的摩阻力值后排樁大于前排樁，前后兩排樁的軸力分布不均。

承臺(tái)式雙排抗滑樁中，由于承臺(tái)的作用，前后兩排樁樁頂軸力大小相等而方向相反。承臺(tái)將前后兩排樁剛性連接，構(gòu)成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系，在受到滑坡體推力作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)有向滑坡滑動(dòng)方向傾倒的趨勢(shì)，前排樁產(chǎn)生一個(gè)向上壓的軸力，后排樁產(chǎn)生一個(gè)向下拉的軸力，這對(duì)力偶產(chǎn)生反力矩來抵抗結(jié)構(gòu)的傾覆，使前排樁表現(xiàn)為抗壓，后排樁表現(xiàn)為抗拔，提高結(jié)構(gòu)的整體抗滑能力和穩(wěn)定性[9]。

綜合上述分析，對(duì)懸臂式雙排抗滑樁來說，前后排樁的彎矩和剪力分布差距較大，前后排樁無連接削弱前后排樁的相互作用，不能形成一個(gè)有效的空間整體結(jié)構(gòu)體系，不利于結(jié)構(gòu)的整體抗滑能力的提高。而對(duì)于承臺(tái)式雙排抗滑樁，由于承臺(tái)的作用，使前后排樁的彎矩和剪力分布較接近，樁頂位移比懸臂式類型小，前排樁受壓力和后排樁受拉力，產(chǎn)生反力矩來抵抗傾覆，可以提高結(jié)構(gòu)的抗滑能力。這說明承臺(tái)加強(qiáng)了前后兩排樁和土體相互作用，前后排樁形成一個(gè)有效的空間整體結(jié)構(gòu)體系，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗滑能力。

雙排抗滑樁是個(gè)相互作用的空間結(jié)構(gòu)體系，須同時(shí)考慮發(fā)揮前后排樁的抗滑作用，只有當(dāng)前后排抗滑樁均充分發(fā)揮其抗滑能力才能經(jīng)濟(jì)和合理。所以，雙排抗滑樁的設(shè)計(jì)中，當(dāng)前后排樁間距較小時(shí)，如果從懸臂式和承臺(tái)式兩種類型的雙排抗滑樁中進(jìn)行選擇，建議采用承臺(tái)式雙排抗滑樁。

4工程實(shí)例分析

4.1工程概況

這里引用文獻(xiàn)[6]中工程滑坡實(shí)例。某工程滑坡的滑面以上為碎石土層與黏土層組成，滑面以下為強(qiáng)風(fēng)化巖層構(gòu)成。各工程性質(zhì)指標(biāo)見文獻(xiàn)[6]。

4.2懸臂式雙排抗滑樁治理方案

當(dāng)考慮采用懸臂式雙排抗滑樁治理方案時(shí)，施工為人工挖孔，樁身采用強(qiáng)度等級(jí)為C20混凝土，樁長(zhǎng)16 m，滑面上6.9 m，嵌入滑床9.1 m，樁截面尺寸為 1.25 m×1.80 m，樁間距為6 m，樁排間距為 7.25 m。理論計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 理論計(jì)算的抗滑樁位移、彎矩和剪力Table2 Thetheoreticalcalculationdisplacement,bendingmomentandshearforceofthepiles抗滑樁最大位移/mm最大彎矩/(kN·m)最大剪力/kN后排樁19.6133072613前排樁17.3101362145

4.3承臺(tái)式雙排抗滑樁治理方案

工程中采用了承臺(tái)式雙排抗滑樁治理方案。文獻(xiàn)[6]中施工為人工挖孔，樁身采用強(qiáng)度等級(jí)為C20混凝土，樁長(zhǎng)16 m，滑面上6.9 m，嵌入滑床9.1 m，樁截面尺寸為 1.25 m×1.80 m，樁間距為6 m，樁排間距為 7.25 m。理論計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 理論計(jì)算的抗滑樁位移、彎矩和軸力Table3 Thetheoreticalcalculationdisplacement,bendingmomentandaxialforceofthepiles抗滑樁最大位移/mm樁頂彎矩/(kN·m)最大軸向力/kN后排樁8.2112063415前排樁6.0112063415

由表2和表3比較得出：懸臂式類型前后兩排樁的樁頂位移和樁身彎矩分布差距較大，而承臺(tái)式類型分布比較接近，樁頂彎矩一樣。采用承臺(tái)式雙排抗滑樁治理方案比懸臂式雙排抗滑樁治理方案的位移要少的多，最大彎矩也要小，有利于提高結(jié)構(gòu)的整體抗滑能力，節(jié)省材料，節(jié)省工程造價(jià)。所以工程中采用了承臺(tái)式類型的治理方案。

4.4工程監(jiān)測(cè)分析

文獻(xiàn)[6]中在樁的縱向受力鋼筋上安裝測(cè)力傳感器，來測(cè)量應(yīng)變計(jì)算樁身的彎矩，用經(jīng)緯儀觀測(cè)在樁頂安裝的位移觀測(cè)點(diǎn)。表4為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表中數(shù)據(jù)全部來自文獻(xiàn)[6]。由表4的數(shù)據(jù)分析可知，承臺(tái)式類型的前后兩排樁的樁頂位移和樁身彎矩分布比較接近，樁頂彎矩大約一致，后前兩排樁樁頂位移比值約為1.3，后前兩排樁在滑面附近彎矩比值也約為1.3 。因此，采用承臺(tái)式類型的抗滑樁能使前后兩排樁的變形和受力相協(xié)調(diào)，發(fā)揮較好的抗滑效果。

表4 樁頂位移與彎矩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table4 MonitoringdataofdisplacementandbendingMo-mentofthepiles抗滑樁樁頂位移/mm樁頂彎矩/(kN·m)滑面附近彎矩/(kN·m)后排樁6.6101028527前排樁4.9100766346

5結(jié)論

① 懸臂式雙排抗滑樁的前后兩排樁的樁頂位移大致相同，而彎矩和剪力分布差距較大，前后排樁無連接削弱前后排樁的相互作用，不能形成一個(gè)有效的空間整體結(jié)構(gòu)體系，不利于結(jié)構(gòu)的整體抗滑能力的提高。

② 承臺(tái)式雙排抗滑樁由于承臺(tái)的作用，使前后兩排樁的樁頂位移基本相同，彎矩和剪力分布的比接近，前排樁受壓力和后排樁受拉力，產(chǎn)生力矩來抵抗傾覆，加強(qiáng)了前后排樁形成空間結(jié)構(gòu)的整體性能，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗滑能力。

③ 對(duì)比分析得：懸臂式雙排抗滑樁的前后排樁的彎矩和剪力分布差距較大，而承臺(tái)式雙排抗滑樁分布比較接近，且后者比前者的位移小，表明承臺(tái)式雙排抗滑樁能發(fā)揮更好抗滑作用，有利于節(jié)省工程造價(jià)。

④ 工程實(shí)例的監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)承臺(tái)式雙排抗滑樁前后排樁的位移和彎矩分布較接近，與數(shù)值模擬分析規(guī)律相一致，建議在雙排抗滑樁的設(shè)計(jì)中采用承臺(tái)式雙排抗滑樁。

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Comparative Study of Cantilever Double-row Piles and Cushion Cap Double-row Piles

WEN Xianghu1,2， YE Siqiao1，3， MAO Xiaoguang4

(1.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China；2.Engineering Design Institute Co., Ltd.of CCCC Forth Harbor Engineering Co., Ltd.Guangzhou, Guangdong 510230, China;3.Chongqing Bureau of Geology and Mineral Resources， Chongqing 400074， China；4.Wuhan Municipal Engineering Design & Research Institute， Wuhan， Hubei 430023， China)

[Abstract]The cantilever double-row anti-slide piles and the cushion cap double-row anti-slide piles are the two common types.To clarify the internal force and displacement distribution characteristics and applicability.Based on the finite element program ABAQUS，three-dimensional finite element analysis of models of the two types double-row piles are established separately.Compared the displacement and the internal force distribution of cantilever double-row anti-slide piles with cushion cap double-row anti-slide piles.For the cantilever double-row anti-slide piles，the difference of bending moment and shear force distribution between the front and back row piles is very obvious.For the cushion cap double-row anti-slide piles，the difference is very small，front row pile by pressure and back row pile by pulled，resulting in resistance to overturning moment.And the latter is a small displacement.Selecting cushion cap double-row anti-slide piles engineering case，monitoring and analyzing found that the difference of displacement and bending moment distribution between the front and back row piles is very small，which is shown that the results consistent with the law of finite element analysis.So we suggest using the cushion cap double-row anti-slide piles in the design.

[Key words]cantilever double-row piles； cushion cap double-row piles； landslide； comparative analysis； engineering case

[中圖分類號(hào)]U 443.15

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0251—05

[作者簡(jiǎn)介]溫祥虎(1986—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)和巖土工程方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]重慶市國(guó)土資源和房屋管理局科技項(xiàng)目(CQGT2012018)；水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SLK2009B01)。

[收稿日期]2014—06—26