李小平

(婺源縣水利局,江西 婺源 333200)

0 前 言

滑坡災(zāi)害是全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害，由于其規(guī)模大、分布廣泛和危害性大的特點(diǎn)，易造成較大的社會(huì)影響。通常，滑坡常見的防治措施包括截排水溝、抗滑樁、格構(gòu)錨索以及擋墻等。其中抗滑樁由于施工簡(jiǎn)單，治理效果優(yōu)越而被廣泛使用。國內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)抗滑樁的受力性能及治理效果展開了深入研究。鄧友生等[1]基于室內(nèi)3組物理模型試驗(yàn)研究了拱形抗滑結(jié)構(gòu)的受力性能，結(jié)果表明，拱形抗滑結(jié)構(gòu)對(duì)樁頂水平位移有較好的約束作用，同時(shí)還可改善樁身受力狀態(tài)。黃良譽(yù)等[2]基于物理模型試驗(yàn)研究了埋入式抗滑樁錨拉植筋帶固坡效果，結(jié)果表明，埋入式抗滑樁聯(lián)合植筋帶聯(lián)合透水擋墻加固邊坡的效果最佳。羅爽等[3]基于Winkle彈性地基梁模型，推導(dǎo)了浸泡蠕變對(duì)懸臂抗滑樁受荷劣化特性，結(jié)果表明，受庫水長(zhǎng)期浸泡作用的土質(zhì)滑坡在采用抗滑支擋結(jié)構(gòu)處理時(shí)應(yīng)考慮庫水浸泡導(dǎo)致的滑坡體蠕變作用。任海民和馮偉劍[4]采用理論推導(dǎo)，提出了復(fù)合單元抗滑樁模型，模型可有效模擬抗滑樁的力學(xué)性能。任翔等[5]采用有限元模型研究了抗滑樁嵌固段樁前被動(dòng)土拱形成機(jī)理，結(jié)果表明，樁間距為樁寬的2.5～4.5倍時(shí)出現(xiàn)被動(dòng)土拱，3～4倍時(shí)土拱效應(yīng)最明顯，樁前被動(dòng)土拱增加了相鄰抗滑樁間相互作用范圍。鄧濤等[6]基于堆載試驗(yàn)研究了深厚軟土中抗滑樁的修正懸臂樁計(jì)算方法，結(jié)果表明，提出的修正方法可以合理計(jì)算抗滑樁的內(nèi)力及樁頂位移。董建華等[7]基于達(dá)朗貝爾原理，推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁動(dòng)力計(jì)算模型，結(jié)果表明，樁身分布的剪力和彎矩呈“上下小、中間大”，彎矩最大值出現(xiàn)在滑面附近，剪力最大值在滑面位置。解瑞松等[8]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模擬研究了抗滑樁對(duì)邊坡橋梁樁基受力變形的影響，結(jié)果表明，當(dāng)橋梁樁基在坡體中上部時(shí)，易導(dǎo)致橋梁樁基前部土體形成牽引式滑坡。蘇培東等[9]基于物理模型試驗(yàn)研究了不同截面抗滑樁的土拱效應(yīng)，結(jié)果表明，梯形截面樁對(duì)土拱效應(yīng)的形成與發(fā)展更有利，對(duì)邊坡的加固效果最優(yōu)。王立超和曹雪嬌[10]基于ABAQUS數(shù)值模擬研究了抗滑樁加固邊坡效果，結(jié)果表明，抗滑樁布置于邊坡中間時(shí)比布置于坡頂和坡腳對(duì)提升邊坡的穩(wěn)定性更明顯。

本文采用數(shù)值模擬方法，以水庫邊坡工程為例，考慮抗滑樁樁前土體抗力，分析抗滑樁內(nèi)力分布特征，為類似工程提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

1.1 工程概況

研究區(qū)位于江西某水庫右岸邊坡。邊坡最大開挖深度為46 m，邊坡分五級(jí)開挖，每級(jí)開挖坡比均為1∶1。開挖過程中坡體出現(xiàn)裂縫，最大裂縫約10 cm，最大延伸長(zhǎng)度為3 m。邊坡的典型斷面如圖1所示。

圖1 邊坡典型剖面

根據(jù)鉆孔資料，邊坡土層由上至下分別為：

(1)碎石土

顏色呈褐色，稍密-中密狀態(tài)，主要成分為灰?guī)r。

(2)強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r

巖體破碎，裂隙發(fā)育，局部成碎石夾碎塊狀。

(3)玄武巖

顏色呈灰綠色，風(fēng)化強(qiáng)烈。

1.2 數(shù)值模型

ABAQUS是一款通用型商業(yè)軟件，軟件內(nèi)嵌了豐富的材料本構(gòu)模型，可高效的模擬各種非線性問題。本文采用ABAQUS進(jìn)行建模與分析，根據(jù)典型地質(zhì)剖面建立計(jì)算模型如圖2所示。巖土體及樁的材料力學(xué)參數(shù)見表1所示，其中土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，抗滑樁采用各向同性完全彈性本構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。模型尺寸分別為40 m×28 m×20 m(長(zhǎng)×寬×高)，坡度為45°，抗滑樁截面尺寸為2.5 m×2.5 m，樁心距為6 m，樁長(zhǎng)為14 m。

圖2 數(shù)值模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)建議值

模型邊界條件為：底部為全固定約束；左右前后邊界為約束水平方向位移；頂部為自由邊界。樁身與土體采用嵌入接觸模擬。實(shí)體單元采用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分與計(jì)算[11]。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 抗滑樁剪力與彎矩

圖3匯總得到抗滑樁剪力隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。結(jié)果表明，考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力的樁身剪力分布形態(tài)基本一致。在滑面以上剪力隨樁長(zhǎng)增大而增大，但滑面以下剪力隨樁長(zhǎng)增大而顯著改變。樁底附近處剪力達(dá)到最小值。剪力最大值在11.7 m位置處，最大值為5 400 kN。但考慮樁前土體抗力時(shí)，剪力最大值為4 300 kN。

圖3 抗滑樁剪力隨樁長(zhǎng)變化

圖4匯總得到抗滑樁彎矩隨樁長(zhǎng)變化規(guī)律。結(jié)果表明，考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力的樁身彎矩分布形態(tài)基本一致。彎矩隨抗滑樁的增大而先增大后減小，在樁底處彎矩降低至0。這也證明，樁體始終處于受拉狀態(tài)。此外，考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力兩種情況下，抗滑樁彎矩峰值在8.0 m位置處，分別為24 365 kN·m和21 100 kN·m。

圖4 抗滑樁彎矩隨樁長(zhǎng)變化

根據(jù)以上分析可知，考慮考慮樁前土體抗力時(shí)，抗滑樁的內(nèi)力值比不考慮樁前土體抗力要小。因此在實(shí)際工程中，適當(dāng)考慮樁前土體抗力可以節(jié)約材料。

2.2 抗滑樁橫向位移

圖5匯總得到樁前土體抗力對(duì)抗滑樁橫向位移的影響。結(jié)果表明，樁前土體被挖除后，樁的橫向位移迅速變大，尤其是樁頂部位。此外，樁的位移隨樁長(zhǎng)的增大而減小，樁底位置處，樁身位移基本為0。

圖5 樁前土體抗力對(duì)抗滑樁橫向位移的影響

根據(jù)圖5(a)和圖5(b)的對(duì)比分析可知，在考慮和不考慮樁土體抗力作用下，樁頂位移分別為6 mm和0.06 mm。由此可見，是否考慮樁前土體抗力對(duì)抗滑樁的內(nèi)力和位移有較大的影響，工程應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行修正。

2.3 樁前土體抗力影響因素

既有研究表明[12]，其他條件相同時(shí)，樁前土體坡度大，坡體穩(wěn)定性差；坡度相同時(shí)，樁前土強(qiáng)度大，其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)好。為了進(jìn)一步分析樁前土體坡度對(duì)樁前土體抗力的影響。本文計(jì)算了土體坡度分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°和90°時(shí)，土體不同抗剪強(qiáng)度下，樁的抗力和土體抗力隨樁長(zhǎng)的變化規(guī)律，匯總得到樁提供抗力隨樁深變化(見圖6)和土體抗力隨樁深變化(見圖7)。結(jié)果表明，樁提供的抗力隨樁長(zhǎng)度的增大而增大；同一深度下，樁前土體的坡度越大，抗力越大。此外，當(dāng)土體深度小于4 m時(shí)，抗力與深度呈拋物線規(guī)律分布；當(dāng)樁深大于4 m時(shí)，抗力與樁深呈線性增長(zhǎng)分布規(guī)律。

圖6 樁抗力與樁深變化曲線

圖7表明，土體抗力隨樁長(zhǎng)的增大而呈拋物線增大，與樁提供的抗力相比，當(dāng)樁深較大時(shí)，土體抗力隨著樁深增加的范圍較小。

圖7 土體抗力與樁深變化曲線

圖8～11匯總得到了不同工況下，樁前水平抗力平均值與最大值以及與其相對(duì)應(yīng)的水平抗力平均值與最大值發(fā)揮情況。結(jié)果表明，土體強(qiáng)度參數(shù)保持不變的條件下，樁前土體抗力隨坡度的增大而減小。此外，當(dāng)坡度大于40°時(shí)，水平抗力發(fā)揮的水平處于較低范圍內(nèi)。綜合以上分析表明，當(dāng)樁前土體的坡度大于40°時(shí)，可忽略樁前土體抗力的阻滑作用；當(dāng)樁前土體的坡度小于40°時(shí)。應(yīng)充分考慮樁前土體抗力的有利影響。適當(dāng)節(jié)約工程造價(jià)。

圖8 樁前水平抗力平均值

圖9 樁前水平抗力平均發(fā)揮值

圖10 樁前水平抗力極大值

圖11 樁前水平抗力極大發(fā)揮值

3 結(jié) 論

本文采用ABAQUS數(shù)值有限元手段研究了不同工況下抗滑樁的加固效果，詳細(xì)分析了考慮樁前土體抗力和不考慮樁前土體抗力兩種工況下對(duì)抗滑樁內(nèi)力分布的影響，形成結(jié)論如下：

(1)考慮樁前土體抗力時(shí)，樁頂位移比不考慮樁前土體抗力顯著減小，而彎矩和剪力最大值明顯增大。

(2)保持樁前土體強(qiáng)度參數(shù)不變的情況下，樁頂位移隨坡度增大而增大；保持土體坡度不變，樁前土體抗力隨隨土體強(qiáng)度增大而增大；

(3)當(dāng)樁前土體超過40°時(shí)，實(shí)際抗滑樁的設(shè)計(jì)與計(jì)算中可不考慮土體抗力，當(dāng)樁前土體坡度小于40°時(shí)，土體抗力明顯，可對(duì)抗滑樁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。