陳云生， 孟繁賀

(廣西交通設計集團有限公司， 廣西 南寧 530029)

1 前言

抗滑樁工程由于具有處治效果好、布設靈活、適應條件廣等多方面的突出優(yōu)點而成為邊坡或滑坡災害治理中的常用方法，圓形抗滑樁相比方樁具有無需人工挖孔、施工安全、成樁效率高等特點，近年來被大量使用，隨著抗滑樁的廣泛使用，抗滑樁變形失效事故也隨之增多，常見的變形有折斷、剪斷、傾倒、整體滑動、樁頂溢出等。作者在從事公路建設過程中親身經(jīng)歷了多處懸臂式抗滑樁失效事故，而樁頂出現(xiàn)較大變形是懸臂式抗滑樁出現(xiàn)失效的宏觀體現(xiàn)，因此，對樁頂變形的研究十分重要。

中國對抗滑樁樁體力學特征、土拱效應、彎矩、穩(wěn)定性等已有了大量的研究，但對變形及其影響因素研究不夠深入，對圓形抗滑樁的研究更是少之又少，大多數(shù)研究是基于剛體極限平衡理論，但是這些方法由于其計算不確定性，不能考慮樁土聯(lián)合作用，已越來越不能適應工程建設的發(fā)展需要。近3年來少部分學者開始通過模型試驗研究抗滑樁變形，王旋等基于三峽庫區(qū)堆積層滑坡工程地質(zhì)特征，建立了大型物理試驗模型，獲取了滑坡坡表與樁頂位移數(shù)據(jù)，定量分析了體系位移場變化特征；李哲等通過抗滑樁現(xiàn)場縮尺模型試驗，研究了在滑坡推力作用下抗滑樁受力變形至破壞過程的樁頂水平、豎向位移值。除了模型試驗，基于FLAC3D軟件的抗滑樁研究方法因其在三維、本構(gòu)模型及后處理方面相比傳統(tǒng)方法更加優(yōu)越，已逐步成為復雜工程的輔助計算方法，然而利用其進行變形分析的文獻則屈指可數(shù)，何文野等在基于FLAC3D的基礎上對抗滑樁的支護參數(shù)進行正交設計，研究了其對邊坡穩(wěn)定性的影響；王曉芳結(jié)合FLAC3D軟件探討了抗滑樁的布設位置、彈性模量等因素對邊坡整體穩(wěn)定的影響；張祝安等通過FLAC3D對煤系地層邊坡懸臂抗滑樁樁身位移控制技術(shù)進行了研究；謝明星通過數(shù)值模型分析了抗滑樁的部分參數(shù)對聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)中抗滑樁水平位移的影響。然而上述研究均針對方形抗滑樁，且部分僅以單因素對邊坡、樁體的變形影響進行分析，部分僅在特定的地質(zhì)條件及影響因素不變的情況下進行變形分析，又或僅考慮多因素組合情況下的邊坡穩(wěn)定性，未考慮多因素組合對變形的影響。鑒于此，該文在前人研究的成果上借助FLAC3D分析懸臂式圓形抗滑樁樁頂變形的主要影響因素及兩兩因素組合下的樁頂變形規(guī)律，研究成果可為今后工程設計及研究人員提供參考。

2 計算模型

為了研究圓形抗滑樁樁頂變形的影響因素，該文采用的三維計算模型見圖1，建模時邊坡的影響范圍目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范，陳和群在文獻[10]中指出：假設邊坡的開挖深度為h，則邊坡平面上的影響范圍為2h～3h，固本邊坡模型長84 m，寬20 m，高40 m。模型邊界距離坡頂水平距離為50 m，模型底部距離坡底20 m，整個模型單元數(shù)(zones)為72 400個，節(jié)點數(shù)(grid-points)為78 729個，開挖面及抗滑樁附近的網(wǎng)格要比其他網(wǎng)格密，前后左右界面設置法向約束，下邊界為固定鉸支。

圖1 計算模型

FLAC3D中抗滑樁采用pile單元模擬，樁間擋板采用面層shell單元模擬，建立pile單元及shell單元時自定義為結(jié)構(gòu)單元之間彼此獨立，但實際中擋土板的受力是可以傳遞到抗滑樁單元，因此此次模擬通過Fish語言實現(xiàn)擋土板與抗滑樁之間的鏈接，先釋放pile單元及shell單元對應節(jié)點與巖土的鏈接，再通過“sel link attach”命令將pile單元的節(jié)點與面層shell單元對應的節(jié)點鏈接起來。

3 物理力學參數(shù)及動態(tài)模擬過程

計算采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，物理力學參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸見表1～3。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

表2 抗滑樁參數(shù)

表3 擋土板參數(shù)

土層開挖順序見圖2，工況計算過程如下：

圖2 邊坡開挖順序(單位：m)

生成初始應力場→設置抗滑樁→開挖樁前土(第1步開挖)→設置頂部2 m擋土板，基底應力逐步釋放，第1步計算→繼續(xù)開挖樁前土(第2步開挖)→繼續(xù)設置2 m高擋土板，基底應力逐步釋放，第2步計算→…→開挖最后樁前土(第5步開挖)→設置底部2 m擋土板，基底應力逐步釋放，第5步計算。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 懸臂段巖土內(nèi)摩擦角及黏聚力對樁頂變形的影響

為了模擬懸臂段內(nèi)摩擦角及黏聚力對抗滑樁樁頂變形的影響，假定抗滑樁懸臂及嵌固段均為10 m，嵌固段為軟質(zhì)泥巖，樁徑2.2 m，樁間距4.5 m，坡高20 m，懸臂段巖土黏聚力分別取5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 kPa，懸臂段巖土內(nèi)摩擦角分別取5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°，利用Fish語言編制程序，自動計算各種組合工況下的樁頂變形，計算結(jié)果見圖3～5。

圖3 不同內(nèi)摩擦角及黏聚力組合下FLAC3D計算結(jié)果

由圖3可知：當懸臂段巖土內(nèi)摩擦角≤10°時，隨著懸臂段巖土黏聚力的增加，樁頂位移線性減小，當內(nèi)摩擦角>10°時，隨著黏聚力的增加，樁頂?shù)奈灰葡染€性減小后逐漸平緩，說明黏聚力增加到一定程度后對樁頂變形影響極??；由圖4可知：隨著懸臂段巖土內(nèi)摩擦角的增大，樁頂位移減小，當內(nèi)摩擦角超過一定值時，位移減小曲線逐漸平緩，說明內(nèi)摩擦角增加到一定程度后對樁頂位移影響較??；由圖3可知：當內(nèi)摩擦角為5°且黏聚力<40 kPa或內(nèi)摩擦角為10°且黏聚力<25 kPa時，計算不收斂；圖5為破壞后貫通的典型剪應變云圖，說明此時模型已產(chǎn)生大變形，樁體防護失效，設計應通過調(diào)整樁間距、增加樁徑等措施防止安全事故發(fā)生；由圖4可看出：當黏聚力為20 kPa、內(nèi)摩擦按5°增加的樁頂位移降幅值要大于內(nèi)摩擦角為20°、黏聚力按5 kPa的降幅值，因此內(nèi)摩擦角對樁頂位移的敏感度要高于黏聚力，在內(nèi)摩擦角低的路段設置抗滑樁需對樁的安全進行充分論證，如從圖3可以看出該模型中當內(nèi)摩擦角為5°時，黏聚力需達到40 kPa及以上方能保證抗滑樁不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。

圖4 抗剪強度指標對樁頂變形的影響

圖5 已貫通的剪應變增量云圖 (c=35 kPa，φ=5°，抗滑樁被剪斷)

由數(shù)值分析結(jié)果可知：內(nèi)摩擦角和黏聚力低于某一值時，樁頂位移敏感性大，當超過該值時，樁頂位移基本保持不變，說明內(nèi)摩擦角和黏聚力改變對樁頂變形往往是突變的，變形迅速，實際施工過程中應做好邊坡截排水措施，避免因水降低巖土力學參數(shù)而發(fā)生工程事故。

4.2 抗滑樁嵌固段長度及嵌固段巖土強度對樁頂變形的影響

在分析嵌固段巖體強度及嵌固深度對樁頂變形的影響時，假定懸臂段巖土內(nèi)摩擦角為15°，黏聚力為20 kPa，抗滑樁懸臂段為10 m，樁徑為2.2 m，樁間距為4.5 m，在嵌固段巖土分別為軟塑狀黏土、硬塑狀黏土、碎石土、軟質(zhì)泥巖、密實漂石、較堅硬砂巖、堅硬砂巖及灰?guī)r，以及嵌固段長度為4～20 m的情況下，利用Fish語言自動計算嵌固段巖體強度與嵌固深度相互組合下樁頂?shù)淖冃巍Ｓ嬎憬Y(jié)果如圖6、7所示。

由圖6、7可知：① 嵌固段巖體類型固定時，樁頂變形隨著嵌固段長度的增加而減小，且呈先急劇下降后逐漸平緩的趨勢，樁頂位移急劇下降段與逐漸平緩段之間存在“拐點”，抗滑樁設計時嵌固段長度不宜超過“拐點”，應在“拐點”以內(nèi)按位移控制選擇最優(yōu)嵌固段長度，超過最優(yōu)嵌固段長度將造成工程浪費；② 隨著嵌固段巖土強度的提高，樁頂位移急劇下降段與逐漸平緩段之間的“拐點”所對應的嵌固段深度越小，也就是嵌固段巖土強度越高，最優(yōu)嵌固段長度越短；③ 對于軟塑狀黏土及硬塑狀黏土，當嵌固段長度<6 m或<5 m時，計算不收斂，說明模型產(chǎn)生大變形，此時樁體防護失效，邊坡產(chǎn)生滑塌；④ 樁頂位移達到平緩時的大小與嵌固段巖土強度有著密切關(guān)系，嵌固段巖土強度越高，位移越小，如軟塑狀黏土為31.8 cm，堅硬砂巖為3.7 cm，說明增加樁長對減少位移曲線平緩段的位移有限，可通過注漿、微型樁等措施增強嵌固段巖土強度來有效減少樁頂位移曲線平緩段的位移；⑤ 依據(jù)規(guī)范，坡頂不存在重要構(gòu)筑物時，該模型的抗滑樁樁頂允許變形不宜超過10 cm。而由計算可知對于軟塑狀黏土、硬塑狀黏土及碎石土，樁頂位移達到平緩段時仍大于10 cm，此時增加樁長對減少位移效果不明顯，故需通過增大樁徑、減少樁間距、加固嵌固段土等措施來使得結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求；對于軟質(zhì)泥巖、密實漂石、較堅硬砂巖、堅硬砂巖及灰?guī)r，嵌固段分別需達到10、8、7、4 m，方能滿足規(guī)范要求；⑥ 結(jié)合3.2節(jié)可知嵌固段巖土強度越高，樁體失效時的樁頂位移越小，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞；反之，樁體失效時的樁頂位移越大，容易產(chǎn)生傾倒變形。

圖6 不同嵌固段巖土強度及嵌固段長度組合下FLAC3D計算結(jié)果(1)

圖7 不同嵌固段巖土強度及嵌固段長度組合下FLAC3D計算結(jié)果(2)

4.3 抗滑樁截面尺寸及抗滑樁間距對樁頂變形的影響

為了研究抗滑樁截面尺寸及抗滑樁間距對樁頂變形的影響，假定懸臂段巖體內(nèi)摩擦角為15°，黏聚力為20 kPa，抗滑樁懸臂段及嵌固段均為10 m，嵌固段為軟質(zhì)泥巖，樁徑分別取1.8、2.0、2.2、2.4、2.6 m，樁間距分別取3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 m，模擬兩因素彼此組合工況下對樁頂位移的影響。結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 樁間距及截面尺寸組合下FLAC3D計算結(jié)果

從圖8可以看出：① 隨著樁間距的增大，樁頂位移先呈線性增加，后趨于平緩，線性增加是因為下滑力等比例增加，后趨于平緩是因為FLAC3D計算自動考慮了土拱效應，超出一定樁間距，樁間土將破壞擋土板，此時抗滑樁位移增加不大，樁間板位移將急劇增加并產(chǎn)生破壞，邊坡將產(chǎn)生整體式繞樁滑動；② 該模型的樁間距達到2.3倍樁徑時，土拱效應得到充分發(fā)揮，即以土拱效應發(fā)揮程度為控制條件下樁徑分別為1.8、2.0、2.2、2.4、2.6 m對應的最優(yōu)樁間距分別為4.0、4.5、5.0、5.5、6 m。由圖9可知：隨著樁徑的增大，樁頂變形量先迅速減小，當增大到一定值后，樁頂位移減幅不大，說明隨著樁徑的繼續(xù)增加，對樁頂位移的影響逐步減小，樁徑大小不宜在樁頂位移平緩段選擇，可在快速下降段由位移控制選擇最優(yōu)樁徑。由圖10可以看出：在樁間距與樁徑之比保持不變的情況下，隨著樁間距的減小，樁頂位移逐步增大，說明減少樁間距對抑制樁頂變形的貢獻不及增加樁徑貢獻大，這與文獻[12]考慮方樁時所得出的結(jié)果是相反的，說明圓樁增大樁徑的防護效果要比方樁增加相同樁寬度的效果好。

圖9 樁徑變化對樁頂位移的影響(樁間距為4.5 m)

圖10 樁間距變化對樁頂位移的影響(樁間距與樁徑之比為2)

5 結(jié)論

(1) 隨著內(nèi)摩擦角或黏聚力的增大，樁頂位移曲線先線性減小后近似于直線，內(nèi)摩擦角對樁頂變形的敏感度要高于黏聚力，內(nèi)摩擦角和黏聚力對樁頂變形的影響具有突變性。

(2) 樁頂位移曲線隨著嵌固段長度的增加先急劇下降后逐漸平緩，樁頂位移急劇下降段與逐漸平緩段之間存在“拐點”，設計可在“拐點”以內(nèi)按位移控制選擇最優(yōu)嵌固段長度；增加樁長對減少位移曲線平緩段的位移有限，通過注漿、微型樁等措施提高嵌固段巖土強度可有效減少樁頂位移曲線平緩段的位移。

(3) 樁頂位移隨著樁間距的增大呈線性增加后趨于平緩，隨著樁徑的增加先急劇減少后趨于平緩，可在線性增加段或急劇減少段按位移控制選擇最優(yōu)樁間距或最優(yōu)樁徑，距徑比相同的情況下減少樁間距對抑制樁頂變形的貢獻不及增加樁徑貢獻大。