李立鋒，王桂堯，張永杰，周歡

（長沙理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

h形抗滑樁內(nèi)力變形機理數(shù)值分析研究

李立鋒，王桂堯，張永杰，周歡

（長沙理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410004）

運用數(shù)值分析軟件，結(jié)合典型工程案例，分析h形抗滑樁在滑坡工程中的受力和變形特性，對比分析不同前后排樁間距、不同樁體錨固長度等因素對h形抗滑樁樁身內(nèi)力與變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明，樁體最大位移出現(xiàn)在樁頂，由于連續(xù)橫梁的存在，前后排樁樁體協(xié)調(diào)變形；前后排樁最大彎矩均出現(xiàn)在滑面以下約2.5m處，最大剪力均出現(xiàn)在滑面附近；樁間距、錨固長度對基樁變形的影響程度大于內(nèi)力，不同樁間距、不同錨固長度，樁體的最大彎矩變化不大；樁頂位移隨著樁間距的變大而減小，當樁間距大于4b（b為樁體截面寬度）時，增大樁間距不會減小樁頂位移，前后排樁間距宜取2b～4b；隨錨固長度的增加，樁頂水平位移達到一定值后保持不變，建議錨固長度取1/3～1/2樁長。

公路；h形抗滑樁；滑坡；樁頂位移；彎矩；剪力；樁間距；錨固長度

1　h形抗滑樁及其研究現(xiàn)狀

h形抗滑樁支擋結(jié)構(gòu)是通過在坡體內(nèi)設(shè)置前后2排樁，中間用連續(xù)橫梁連在一起，前排樁較短，后排樁較長，且后排樁具有懸臂樁段的框架結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1　h形抗滑樁支護結(jié)構(gòu)示意圖

與一般抗滑樁相比，h形抗滑樁應(yīng)用于滑坡治理工程中，其較大的穩(wěn)定性和側(cè)向剛度可提高樁體抵抗側(cè)向變形的能力；其樁體受力分布更合理，可有效減少樁身內(nèi)力；可和錨桿、錨索及格構(gòu)梁等支擋結(jié)構(gòu)聯(lián)合應(yīng)用；可通過調(diào)節(jié)前后排樁中間的連續(xù)橫梁高度，使后排樁具有不同的懸臂長度，既能優(yōu)化和改善樁體結(jié)構(gòu)受力分布，也能適應(yīng)不同的地形、地質(zhì)條件及施工環(huán)境。

對于h形抗滑樁內(nèi)力和變形的研究，王羽采用三次超靜定圖乘法建立了h形抗滑樁受荷段內(nèi)力計算方法與錨固段彈性樁計算方法；周金成利用有限元軟件建立了h形抗滑樁的數(shù)值分析模型；趙海玲等采用ANSYS數(shù)值分析軟件研究了其受力狀態(tài)和前后排樁變形情況；馬青力采用數(shù)值分析方法，結(jié)合工程實例對h形樁板墻樁土相互作用進行了分析；張澤坤采用有限元軟件ANSYS對h形抗滑樁加固膨脹土邊坡進行了數(shù)值分析研究；歐孝奪、孫濤、張永杰等通過試驗、數(shù)值分析與現(xiàn)場試驗探討了h形抗滑樁在邊（滑）坡工程中的承載變形特性。但現(xiàn)有研究方法對于樁周巖土體的作用力分布形式不統(tǒng)一，致使得出的樁體承載變形規(guī)律不明確，且對各因素對h形抗滑樁承載變形特性的影響規(guī)律與影響程度缺乏系統(tǒng)分析。

該文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，運用數(shù)值分析軟件對實際工程案例進行數(shù)值模擬計算，分析h形抗滑樁的內(nèi)力變形特征，并通過改變基樁設(shè)計參數(shù)獲得不同設(shè)計參數(shù)對h形抗滑樁內(nèi)力變形的影響規(guī)律。

2　h形抗滑樁數(shù)值模型的建立及計算方法

2.1數(shù)值模型

選用數(shù)值分析軟件MIDASGTS（試用版）對貴州省三凱（三穗—凱里）高速公路王家寨滑坡實際工程進行數(shù)值模擬計算分析。該滑坡體沿路線長度為196.75m，上部為碎石土，呈松散～中密狀，下部為強風(fēng)化硅化絹云母板巖。滑坡后緣拉裂縫與道路中線的最大水平距離為192m，滑體平均厚度21.4 m，最厚達39.5m，平均寬85m，體積約51萬m3，屬于大型滑坡。采用預(yù)應(yīng)力錨索+h形抗滑樁進行處治。h形樁的設(shè)計尺寸為：懸臂段長3.5m，前排樁長17～22m，后排樁長23.5～28.5m；前后排樁尺寸為3.0m×3.0m，橫梁尺寸為3.0m×3.0m；前后排樁間距為6.5m，樁基列距為6m；樁體采用C30砼。懸臂端頂部布設(shè)2根1000kN預(yù)應(yīng)力錨索。為便于數(shù)值模擬，對該工程進行簡化（見圖2、圖3）。

圖2　典型工程的模型簡圖

圖3　邊（滑）坡中的h形樁示意圖

簡化模型為二維剖面模型，寬約36m，高約30 m，包括滑床巖土體、樁后滑坡體、樁間巖土體、h形抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨桿。h形樁后排樁長21m，前排樁長17.5m，樁體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1　h形抗滑樁樁體設(shè)計參數(shù)　m

依據(jù)模型的尺寸及工程實際情況，運用MIDAS GTS中的網(wǎng)格自動劃分功能對模型進行網(wǎng)格劃分（見圖4）。

圖4　邊坡模型網(wǎng)格劃分

2.2模型的建立

2.2.1巖土體本構(gòu)模型的選擇

MIDASGTS包含的本構(gòu)模型多達12種，其中摩爾-庫倫模型適用于巖土體彈塑性材料，且能很好地模擬巖土體在剪切破壞條件下的力學(xué)變形機理，根據(jù)研究內(nèi)容、模型材料和實際工程情況，選用該模型作為模擬巖土體材料的本構(gòu)模型，并服從該模型的流動法則。模型中巖土層介質(zhì)的材料力學(xué)性質(zhì)及特性見表2。

表2　巖土層材料力學(xué)設(shè)計參數(shù)

2.2.2模型的支護結(jié)構(gòu)單元

（1）h形樁。h形支擋結(jié)構(gòu)采用梁單元，每個節(jié)點均有3個自由度，在數(shù)值計算時，需輸入梁的形狀、截面積、周長、慣性矩、材料彈性模量、泊松比、材料重度和熱膨脹系數(shù)等技術(shù)參數(shù)（見表3）。

（2）錨索。MIDASGTS中有錨桿（索）專用的植入式桁架，將其看作只能承受單軸拉伸的一維線單元，計算時需輸入錨索形狀、截面積、預(yù)應(yīng)力大小、材料彈性模量、泊松比、材料密度、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)（見表3）。

表3　支護結(jié)構(gòu)材料設(shè)計參數(shù)

2.2.3模型計算區(qū)域及邊界條件

根據(jù)工程實際情況和模型計算需要，采用較簡單的二維模型，模型底寬36m，高30m。水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，原點位于模型的左下角。

邊界約束：模型的底邊設(shè)置固定支座邊界約束，假定其靜止不動，不能產(chǎn)生位移和旋轉(zhuǎn)；頂面為自由邊界，未加任何約束；模型的前后布置為可動鉸支座約束，沒有剪應(yīng)力，其水平方向不能產(chǎn)生位移，但可沿著豎直方向產(chǎn)生位移；模型中不考慮地下水的影響，不考慮滲流作用。

2.2.4模型計算的基本假設(shè)

（1）計算區(qū)域內(nèi)的土層材料為均質(zhì)、各向同性材料。

（2）h形抗滑樁支護結(jié)構(gòu)為彈性材料，滿足平面應(yīng)變問題的基本要求。

（3）土層材料為彈塑性材料，其材料特性如彈性模量、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、泊松比等是確定的，不受施工條件的影響。

（4）模型計算不考慮地下水對土層的影響，不考慮地下水滲流作用。

3　數(shù)值模型計算結(jié)果分析

3.1滑坡模型水平位移和水平應(yīng)力

采用h形抗滑樁對滑坡體進行加固后，數(shù)值軟件計算得出的水平位移最大值為11.0mm，出現(xiàn)在坡頂臨空面（后排樁樁頂）處，沿著后排樁樁頂以下水平位移逐漸變小直至為零（見圖5），滑坡的變形得到有效控制。

圖5　h形抗滑樁加固后滑坡模型水平位移云圖（單位：m）

模型出現(xiàn)2個應(yīng)力集中區(qū)域，分別位于h形樁前后排樁與滑面交界處的右下區(qū)域（見圖6），這是因為該區(qū)域的土體受到由滑坡推力通過h形樁樁體傳遞來的作用力，土體受到擠壓。

圖6　h形抗滑樁加固后滑坡模型水平有效應(yīng)力云圖（單位：kN/m2）

3.2h形抗滑樁樁體位移分析

由于連續(xù)橫梁能協(xié)調(diào)前后排樁的變形，前后排樁樁體變形位移基本上是同步的，最大位移出現(xiàn)在后排樁樁頂，為11.0mm（見圖7和圖8）。在連續(xù)橫梁的作用下，后排樁連接處和前排樁樁頂位置的位移基本協(xié)調(diào)，約為8.0mm。沿著樁體向下，水平向位移變形逐漸變小，滑動面以下樁體的變形較小，前后排樁樁底處均出現(xiàn)微小的負向位移（前排樁為-0.002mm，后排樁為-0.004mm）。

圖7　前排樁樁體水平位移

圖8　后排樁樁體水平位移

3.3h形抗滑樁內(nèi)力分析

3.3.1h形抗滑樁樁截面彎矩

如圖9和圖10所示，后排樁樁體最大彎矩出現(xiàn)在樁頂以下約14.0m（滑面以下約2.45m）處，為36170kN·m；前排樁最大彎矩位置與后排樁相似，在前排樁頂以下約12.0m（滑面以下約2.71 m）處，為21320kN·m。

圖9　前排樁彎矩圖

圖10　后排樁彎矩圖

3.3.2h形抗滑樁樁截面剪力

如圖11和圖12所示，h形抗滑樁前后排樁樁體最大剪力均出現(xiàn)在樁體與滑面接觸處，后排樁剪力最大值為10820kN，位于樁頂以下約11.55m處；前排樁剪力最大值為6230kN，位于樁頂以下約9.3m處。在樁基設(shè)計時，應(yīng)適當強化h形抗滑樁支護結(jié)構(gòu)中應(yīng)力較集中的部位，避免樁基在滑坡推力作用下發(fā)生剪切破壞。

4　樁間距、錨固長度對樁體內(nèi)力和變形的影響

4.1前后排樁間距對樁體內(nèi)力和變形的影響

保持數(shù)值模型及h形樁其他設(shè)計參數(shù)不變，變動前排樁的位置，使前后排樁間距分別為3.0、6.5、9.0、12.0、15.0m，計算h形抗滑樁樁體最大水平位移及樁體最大截面彎矩，結(jié)果見圖13、圖14。

圖11　前排樁剪力圖

圖12　后排樁剪力圖

圖13　不同樁間距下后排樁最大水平位移

圖14　不同樁間距下樁體最大彎矩

從圖13可看出：不同前后排樁間距條件下，h形抗滑樁最大水平位移均出現(xiàn)在后排樁樁頂處。隨著樁間距的增大，最大水平位移逐漸減小。樁間距從3 m增加到6.5m時，最大水平位移減小速率較大，從11.43mm減小到11.0mm；樁間距從6.5m增加到12m時，最大水平位移減小速率較小且變化率相等（呈直線），最大位移減小至10.67mm；樁間距從12.0 m增加到15m時，最大水平位移減小速率最小，從10.67mm減小到10.65mm。究其原因，當樁間距小于約2b（b為樁體截面寬度，這里b=3m）時，前后排樁間距較小；h形抗滑樁的空間結(jié)構(gòu)形式逐漸趨向于單排樁，其變形特性與一般單排樁類似，樁體水平位移較大；隨著樁間距增大至2b～4b（6.0～12.0m），連續(xù)橫梁的長度及樁間巖土體的寬度較大，h形樁開始發(fā)揮其獨特的抗滑性能，抵抗水平變形的能力較大，樁頂水平位移較小；樁間距大于4b（12.0m）時，增大樁間距對于減少樁頂位移的貢獻較小，h形抗滑樁抵抗水平變形的工作效率變低。因此，建議h形抗滑樁前后排樁間距取2b～4b。

從圖14可看出：隨著h形抗滑樁樁間距的變化，樁體最大彎矩基本沒有變化，曲線水平向延伸較平緩，說明改變前后排樁間距對于h形抗滑樁樁體最大彎矩的影響較小。

4.2錨固長度對樁體內(nèi)力和變形的影響

保持模型其他參數(shù)不變，改變基樁錨固長度，分別為6.0、7.0、8.0、9.45、11.0、12.0m，研究h形抗滑樁樁體在不同錨固長度下樁體最大位移和最大彎矩。

如圖15所示，隨著錨固長度的增大，樁頂最大位移減小，但當錨固長度增加到一定長度（9.5m）后，樁頂位移的變化較小或基本不變，繼續(xù)增加錨固長度對提高h形樁抗滑性能的作用甚微。當錨固長度從6.0m增加到9.5m時，樁頂最大位移減少5.32mm；而當錨固長度從9.5m增加到12.0 m時，樁頂最大位移僅減少0.2mm。建議錨固長度取1/3～1/2樁長。

圖15　不同錨固長度下樁體最大位移

如圖16所示，錨固長度從6.0m增加到12.0 m，樁體的最大彎矩基本不變，說明通過改變錨固深度不能明顯調(diào)整樁體最大彎矩。

圖16　不同錨固長度下樁體最大彎矩

5　結(jié)論

且前后排樁體變形協(xié)調(diào)；在h形樁前后排樁與滑面交界處的右下區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，現(xiàn)場施工設(shè)計中應(yīng)對該區(qū)域的巖土體進行加固。

（2）前后排樁樁體最大彎矩均出現(xiàn)在滑面以下約2.5m處，最大剪力出現(xiàn)在滑面附近。

（3）樁間距小于2b時，樁頂位移較大；樁間距大于4b（12.0m）時，增大樁間距基本不會減小樁頂位移。建議前后排樁間距取2b～4b。改變樁間距對樁體最大彎矩的影響不大。

（4）隨著錨固長度的增大，樁頂最大位移減小，達到一定值后保持不變，建議錨固長度取1/3～1/2樁長。不同錨固深度下樁體最大彎矩基本相等。

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（1）樁體最大水平位移出現(xiàn)在后排樁樁頂處，

U418.5

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1671-2668（2016）04-0136-05

2016-03-24