俞文虎，袁海江

(江陰市青陽水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 無錫 214401)

抗滑樁是目前常用的邊坡加固措施之一[1]。它具有便于施工、工程量較少、投資費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[2]。一般在邊坡滑動(dòng)面的下方打入抗滑樁，其基本原理為依靠下部的側(cè)向阻力以平衡滑坡的下推力形成穩(wěn)定層，起到穩(wěn)定邊坡的作用[3]。

近年來，許多專家學(xué)者對(duì)抗滑樁在邊坡工程中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果。在目前的抗滑樁設(shè)計(jì)中，抗滑樁主要布置在滑坡前緣[4- 5]。在實(shí)際工程中確定樁位依靠很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)，往往需要考慮安全、適用、經(jīng)濟(jì)等多方面因素。曾裕平等[6]采用彈性中心法求解，并發(fā)現(xiàn)了樁間距與土體黏聚力等參數(shù)相關(guān)。張顯書等[7]依托某具體邊坡工程開展計(jì)算，提出了一種充分考慮滑坡體滑坡厚度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、推力曲線等因素來確定抗滑樁樁位的方法。歐陽輝等[8]提出了一種抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并結(jié)合工程實(shí)例運(yùn)用，此方法驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性；Zhang[9]基于有限元開展了抗滑樁樁位對(duì)土、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響分析。綜上所述，目前抗滑樁樁位確定方法主要為剩余推力法，該方法綜合考慮了地質(zhì)條件與施工條件。但對(duì)不同巖質(zhì)邊坡條件下方形抗滑樁樁間距的治理效果研究較少，由于邊坡巖體的復(fù)雜多變等不確定性，邊坡采用不同間距抗滑樁支護(hù)加固時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的支護(hù)效果。

基于上述研究背景，本文以有限元法為基礎(chǔ)，采用樁單元模擬樁對(duì)復(fù)雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護(hù)效果進(jìn)行仿真分析，通過比較分析不同加固位置、不同巖質(zhì)性質(zhì)下不同滑動(dòng)面的加固效果，擬達(dá)到優(yōu)化抗滑樁設(shè)計(jì)的目的。仿真計(jì)算時(shí)首先對(duì)拱效應(yīng)進(jìn)行研究，對(duì)樁間拱效應(yīng)的影響范圍不做討論，之后研究了樁間拱效應(yīng)的形成特點(diǎn)以及巖土體在樁間產(chǎn)生位移形成拱效應(yīng)的應(yīng)力及變形特點(diǎn)。

1 三維幾何計(jì)算模型

依托江蘇省某實(shí)際邊坡工程，建立5個(gè)工作平面，分別為+4、0、-4、-8、-10?？够瑯稙?m×1m的方樁，建立模型長30m、寬10m，斜坡坡高從16m遞減到4m。三維數(shù)值模擬中巖土層一共采用4個(gè)模型參數(shù)，為了定性地驗(yàn)證樁間土拱效應(yīng)的產(chǎn)生，建立了如圖1所示的兩個(gè)三維對(duì)應(yīng)模型，兩模型計(jì)算參數(shù)一致，只是改變了樁的布置。

圖1(a)為樁間距為3m的三維模型圖：在坡體中部設(shè)置一排抗滑樁，樁中心距為3m，樁長為10m，截面尺寸為1m×1m，如圖1(a)所示的左側(cè)樁單元立面；圖1(a)右側(cè)為三維網(wǎng)格圖，整個(gè)巖土層分為四層，從上往下分別為粉質(zhì)黏土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖石以及中風(fēng)化基巖，同時(shí)在坡體上部欲加表面推力。本次仿真計(jì)算在重力作用及施加推力作用下研究巖土體的變形特征。

圖1(b)為樁間距為6m的三維模型圖：在坡體中部設(shè)置一排抗滑樁，樁中心距設(shè)為6m，樁長為10m，截面尺寸為1m×1m，如圖1(b)所示的左側(cè)樁單元立面；圖1(b)右側(cè)巖層分布與圖1(a)右側(cè)巖層分布一致，施加推力位置及大小也一致。本次仿真計(jì)算亦是在重力作用及施加推力作用下研究巖土體的變形特征。

圖1 樁間距分別為3m、6m的三維模型圖

表1 土層材料參數(shù)取值表

2 材料計(jì)算參數(shù)

土層及樁身混凝土材料參數(shù)見表1。抗滑樁材料參數(shù)見表2。

表2 抗滑樁材料取值參數(shù)表

3 仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)于得到的仿真結(jié)果，只列舉其中總位移變形矢量圖和變形云圖，根據(jù)變形矢量圖中箭頭的疏密程度、箭頭長度及其方向，可以看出巖土體在抗滑樁之間的變形規(guī)律和變形趨勢(shì)；根據(jù)變形云圖中顏色深度的不同，可以看出巖土體在抗滑樁作用下的變形效果和分布趨勢(shì)。

圖2 樁間距3m的立面位移矢量圖

圖3 樁間距3m的立面位移云圖(單位：10-6m)

圖2和圖3是樁間中心距為3m的模擬計(jì)算結(jié)果。由此可以看出：坡體的變形基本發(fā)生在第一層粉質(zhì)黏土及第二層黏土，下面兩層巖層變形很小，位于抗滑樁周邊表層的變形趨勢(shì)很明顯，矢量圖箭頭密集；云圖顏色較暗，所以位于抗滑樁附近的巖土層變形較大，從上往下看，形變?cè)絹碓叫。旅娴男巫冏畲?，巖層底部最小。

圖4 樁間距6m的立面位移矢量圖

圖5 樁間距6m的立面位移云圖(單位：10-6m)

圖4和圖5是樁間中心距為6m的模擬計(jì)算結(jié)果。通過與樁間中心距3m的模擬結(jié)果對(duì)比可以看出：二者總體的變形趨勢(shì)和云圖分層現(xiàn)象大體相似，均是在抗滑樁附近的變形較大，坡面變形比坡體下部大。但是經(jīng)通過比較云圖能看出一些差別，主要表現(xiàn)在樁間巖土體的變形特征，為了清晰地比較樁間中心距3m與樁間中心距6m的樁周及樁間變形的差異，從坡體表面觀察模擬結(jié)果的矢量圖及云圖。

圖6 樁身中心距3m的坡面位移矢量圖

圖7 樁身中心距3m的坡面位移云圖(單位：10-6m)

如圖6所示，坡面上樁周、樁間的位移矢量箭頭方向均以中間樁對(duì)稱向里指示，同時(shí)根據(jù)圖7可以看出，雖然抗滑樁因施加推力及巖土的重力作發(fā)生變形，但是樁間巖土體沒有脫離抗滑樁的控制，巖土體的位移跟隨抗滑樁變化而變化，從云圖可以看出抗滑樁周邊土體位移最大，樁間位移反而較小，說明樁間位移拱效應(yīng)發(fā)生作用，防止了樁間土體發(fā)生較大的變形。所以樁徑為1m、樁間中心距為3m的抗滑樁設(shè)計(jì)對(duì)滑坡體的治理效果較理想，拱效應(yīng)的存在提升了抗滑樁在滑坡治理中的地位和作用。樁間中心距為6m的坡面位移矢量圖及云圖如圖8及圖9所示。

圖8 樁身中心距6m的坡面位移矢量圖

圖9 樁身中心距6m的坡面位移云圖(單位：10-6m)

通過比較兩種不同樁間距方案的位移矢量圖，樁間距為3m的位移矢量箭頭是對(duì)稱向里，而樁間距為6m的位移矢量箭頭是對(duì)稱向外，最大的區(qū)別是樁間距為6m的方案的樁間巖土體位移矢量大小比其他區(qū)域大，說明樁間距為6m的樁間巖土體發(fā)生較大的變形，此方案設(shè)計(jì)的抗滑樁作用范圍較小，未能充分發(fā)揮土的拱效應(yīng)，樁間巖土體存在繼續(xù)向下滑動(dòng)的可能，治理效果較差。通過對(duì)比兩種不同樁間距方案的變形云圖，樁間距為3m的方案的樁間巖土體隨著抗滑樁的變形而發(fā)生變化，而樁間距為6m的方案樁間位移明顯存在于變形效果不明顯的中間區(qū)域，說明抗滑樁對(duì)此區(qū)域無影響，亦說明了樁間沒有形成土拱效應(yīng)。

4 結(jié)語

通過此次仿真計(jì)算得出樁間距的設(shè)計(jì)是抗滑樁治理滑坡的參考。在抗滑樁設(shè)計(jì)中，樁間距既不能過大亦不能過??；樁間距過大，則治理效果較差，拱效應(yīng)作用微弱；樁間距過小，則施工困難，費(fèi)用增加，對(duì)原狀坡體的擾動(dòng)增大，所以合適的樁間距一直是抗滑樁的研究熱點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)中一般按照規(guī)范以及工程實(shí)際取一個(gè)合適的值，其治理效果基本可以滿足設(shè)計(jì)要求。