李 雯

(甘肅省酒泉市瓜州縣水務(wù)局,甘肅 酒泉 736100)

1 概 述

近年來(lái),抗滑樁在地下工程中得到廣泛應(yīng)用。然而在實(shí)際工程中,抗滑樁的支護(hù)經(jīng)常出現(xiàn)支護(hù)失效的現(xiàn)象,甚至造成抗滑樁本身的破壞[1]。影響抗滑樁支護(hù)效果的因素很多,如抗滑樁樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距、樁類型,以及地層的穩(wěn)定性和土體的強(qiáng)度、密度等參數(shù)會(huì)直接影響抗滑樁的支護(hù)效果[2-3]。

抗滑樁的設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)方面:抗力設(shè)計(jì)和幾何形狀設(shè)計(jì)?？沽υO(shè)計(jì)包括計(jì)算抗滑樁所需的承載力和滑移力,以確定抗滑樁的尺寸和深度。幾何形狀設(shè)計(jì)則包括抗滑樁的長(zhǎng)度、直徑、間距和形狀等[4]。為此,應(yīng)將保證抗滑樁對(duì)坡面的加固效果(即坡面安全系數(shù))和降低抗滑內(nèi)力,作為對(duì)抗滑樁進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)[5]。近幾年,對(duì)抗滑樁參數(shù)分析,許多學(xué)者做過(guò)深入研究。王聰聰?shù)萚6]利用數(shù)值方法對(duì)邊坡中抗滑樁的加固效果進(jìn)行分析,對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)、臨界滑移面、樁體內(nèi)力、變位響應(yīng)等因素的影響進(jìn)行了設(shè)樁位置、樁長(zhǎng)等方面的探討,結(jié)果顯示在邊坡中部上部設(shè)樁則更有利于邊坡穩(wěn)定性。朱泳等[7]利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC,采用強(qiáng)度折減有限元法,分析了抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的若干因素,得出了與抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)相對(duì)的樁位、樁長(zhǎng)等因素的影響規(guī)律。

目前,大多數(shù)抗滑樁的參數(shù)優(yōu)化研究都集中在豎樁領(lǐng)域,很少有斜樁方面的研究?；诖?本文利用數(shù)值模擬軟件ABAQUS,通過(guò)不同設(shè)樁位置和傾斜角度,研究抗滑樁加固坡面的效果和自身內(nèi)力的影響,得出合理的樁位和傾角;然后將傾斜樁與同樁位置的豎直樁進(jìn)行對(duì)比,分析針對(duì)抗滑樁加固坡面效果的因素,如樁間距、樁長(zhǎng)、樁體彈性模量等方面的影響,研究結(jié)果可為邊坡抗滑樁的設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

2 工程概況

某水庫(kù)位于山谷內(nèi),沿岸為高陡邊坡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果,該邊坡土體巖性為碎石土,碎石粒徑3～20cm,碎石含量約35%。該路基邊坡各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)

3 邊坡數(shù)值模型建立

利用ABAQUS軟件,建立典型二維邊坡模型。在邊坡中布置抗滑樁幾何參數(shù)為:邊坡水平長(zhǎng)度15m,坡高10m,邊坡坡度1:1.5。在數(shù)值模擬計(jì)算中,采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則作為失穩(wěn)判據(jù)。前后、左右兩端采用法向約束,底部保持固定,見(jiàn)圖1。

圖1 邊坡抗滑樁示意圖

4 抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

抗滑樁設(shè)計(jì)除了要保證其加固效果,還要考慮合理設(shè)計(jì),以降低施工費(fèi)用。可采用防滑樁加固后的坡面安全系數(shù),表示抗滑樁對(duì)坡面的加固效果。在不同布設(shè)方式條件下,同一抗滑樁的設(shè)計(jì)成本可以間接反映為抗滑樁的內(nèi)力峰值。本文所計(jì)算的抗滑樁內(nèi)力主要是指抗滑樁的彎矩峰值,考慮到抗滑樁主要受彎破壞的特性。

4.1 抗滑樁傾角對(duì)抗滑效果的影響

由圖2可知,當(dāng)樁位為2/6、3/6、4/6處時(shí),邊坡的安全系數(shù)隨樁的傾角增加呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)。由圖2可以看出,當(dāng)傾角25°時(shí),安全系數(shù)最大。當(dāng)樁位為5/6時(shí),邊坡的安全系數(shù)最小,并且隨樁傾斜度的增加,坡面安全系數(shù)也逐漸降低,影響加固效果。這主要是由于邊坡的滑體大多位于抗滑樁的樁前,當(dāng)樁位為5/6時(shí),抗滑樁對(duì)邊坡的支護(hù)效果迅速降低。

圖2 邊坡安全系數(shù)與抗滑樁傾角變化情況

4.2 抗滑樁傾角對(duì)邊坡支護(hù)效果影響分析

當(dāng)邊坡不穩(wěn)定時(shí),抗滑樁將承受較大的內(nèi)力,尤其是力矩。抗滑樁所受應(yīng)力增加,會(huì)提高設(shè)計(jì)成本。因此,需要進(jìn)一步研究樁傾角對(duì)抗滑樁所受內(nèi)力(尤其是力矩)的影響。

圖3中,在樁位為3/6、樁間距為樁徑3倍的垂直樁模型作為參考,分析抗滑樁傾角的變化對(duì)樁身扭轉(zhuǎn)力矩的影響。由圖3可以發(fā)現(xiàn),不同傾角的抗滑樁在樁的中部和下部具有不同的扭轉(zhuǎn)峰值。

圖3 不同工況下抗滑樁彎矩

由圖4可知,隨著樁傾角的增加,抗滑樁在傾角為-30°和60°的扭轉(zhuǎn)峰值先增大后減小,扭轉(zhuǎn)峰值的變化速度增加。當(dāng)抗滑樁的傾角為30°時(shí),樁身達(dá)到最大彎矩,樁傾斜度的增加會(huì)導(dǎo)致樁截面在荷載作用下承受更大的彎矩。當(dāng)樁傾角超過(guò)30°時(shí),滑坡的位移量減小,導(dǎo)致抗滑樁承受的滑動(dòng)力較小,因此抗滑樁所受的內(nèi)力也相應(yīng)減小。圖4顯示,當(dāng)樁位為4/6時(shí),抗滑樁的彎矩峰值在-30°的傾角處最小,而在樁位為2/6處時(shí)達(dá)到最大值。通過(guò)比較抗滑樁在不同工況下的彎矩峰值發(fā)現(xiàn),樁位為4/6、傾角為-30°時(shí)的抗滑樁設(shè)計(jì)效果最好,此時(shí)樁身的扭矩峰值遠(yuǎn)小于其他工況下的扭矩峰值。因此,對(duì)于傾角為-30°的傾斜樁,應(yīng)采用4/6的樁位,可有效降低抗滑樁的內(nèi)力峰值,在保證對(duì)邊坡良好的加固效果同時(shí),還能達(dá)到較低的設(shè)計(jì)施工成本。

圖4 抗滑樁彎矩峰值與傾角關(guān)系

4.3 豎直樁與傾斜樁對(duì)比

抗滑樁的樁間距也會(huì)影響邊坡的加固效果。當(dāng)樁間距過(guò)大時(shí),會(huì)使土拱效應(yīng)難以形成,降低支護(hù)效果;當(dāng)樁間距過(guò)小時(shí),則會(huì)提高經(jīng)濟(jì)成本。為研究抗滑樁合適的樁間距,取傾角為-30°、樁位4/6的邊坡模型,分析樁間距為3～7倍樁徑下的支護(hù)效果。圖5顯示,斜樁與豎樁經(jīng)過(guò)加固邊坡后,隨著樁間距的增大,減幅先快后慢,安全系數(shù)都在逐漸降低,這主要是由于樁與樁之間的土拱作用隨著樁與樁之間的距離越來(lái)越大而逐漸減弱。斜樁加固邊坡,傾角-30°的安全系數(shù)值比豎樁降低30%。

圖5 安全系數(shù)隨抗滑樁間距關(guān)系

為了分析樁間距對(duì)傾斜抗滑樁受彎狀態(tài)的影響,分別計(jì)算樁位2/6、4/6時(shí)的受力大小,并將傾斜樁樁身彎矩峰值與豎直樁同樁位對(duì)比分析,傾角-30°條件下的抗滑樁加固坡后的樁身彎矩峰值隨樁間距變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。由圖6可知,傾角-30°的抗滑樁,由于樁身的傾斜方向與滑體的下降方向相反,既受左下側(cè)滑體的下降推力,又受樁前土體的重力作用,從而在受力方面與懸臂梁差異較大,故樁身的彎矩左上部分為負(fù)、右下部分為正。此外,傾斜樁所承擔(dān)的樁身彎矩峰值的增長(zhǎng)率,隨著樁間距的增長(zhǎng),比豎直樁所承受的樁身彎矩峰值的增長(zhǎng)率要小。

圖6 彎矩峰值與樁間距關(guān)系

4.4 樁長(zhǎng)影響邊坡穩(wěn)定性

改變抗滑樁的樁長(zhǎng),對(duì)樁長(zhǎng)分別為16、12、10、8m的豎樁和斜樁進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同抗滑樁長(zhǎng)與安全系數(shù)關(guān)系表

從表2可以看出,雖然相對(duì)于傾斜抗滑樁,樁長(zhǎng)對(duì)豎樁錨固段長(zhǎng)度的影響更為顯著,但隨著樁長(zhǎng)的增長(zhǎng),豎樁和斜樁加固邊坡后的安全系數(shù)都有所增加。此外,當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到12m后,再延長(zhǎng)樁長(zhǎng),邊坡安全系數(shù)增長(zhǎng)變緩。這表明在滿足嵌固深度要求的情況下,繼續(xù)增長(zhǎng)的樁長(zhǎng)很難提高其加固邊坡的效果,在抗滑樁加固邊坡工程中存在有效的嵌固深度。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù),建立二維邊坡抗滑樁數(shù)值模型,對(duì)不同傾角的抗滑樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。結(jié)論以下:

1)當(dāng)樁位為4/6時(shí),抗滑樁的傾角在-30°時(shí)彎矩峰值最小;在樁位為2/6處時(shí),彎矩峰值達(dá)到最大值。比較抗滑樁在不同工況下的彎矩峰值發(fā)現(xiàn),樁位為4/6、傾角為-30°時(shí)的抗滑樁加固效果最好。

2)斜樁與豎樁經(jīng)過(guò)加固邊坡后,隨著樁間距的增大,減幅先快后慢,安全系數(shù)逐漸降低,且斜樁加固邊坡,傾角-30°的安全系數(shù)值比豎樁降低30%。在樁間距一定的條件下,隨著樁長(zhǎng)的增長(zhǎng),當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到12m后,邊坡安全系數(shù)增長(zhǎng)變緩,在滿足嵌固深度要求的情況下,樁長(zhǎng)增加對(duì)邊坡加固的效果不顯著。