李詠梅

(江西省上饒市萬年縣河道圩堤管護(hù)中心，江西 上饒 335500)

單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)在面臨我國復(fù)雜多樣的地質(zhì)地貌帶來的滑坡時(shí)往往無法應(yīng)對。因此，抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)運(yùn)而生，其具有治理效果好、形式靈活以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。工程人員與學(xué)者對錨桿抗滑樁+錨桿的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)十分關(guān)注，且在抗滑樁+錨桿組合結(jié)構(gòu)上已經(jīng)取得一定的研究成果。常偉世等[1]利用數(shù)值模擬技術(shù)，對經(jīng)抗滑樁+錨桿組合支護(hù)形式支護(hù)后邊坡的水平位移、穩(wěn)定安全系數(shù)以及剪應(yīng)力區(qū)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：邊坡經(jīng)組合結(jié)構(gòu)支護(hù)后位移明顯減小、穩(wěn)定安全系數(shù)明顯提升，滿足規(guī)范的安全要求，剪應(yīng)力區(qū)被阻斷。李綿祿[2]利用有限元軟件MIDAS-Gts，建立了錨桿、錨索+抗滑樁聯(lián)合支護(hù)的高速公路的邊坡模型，對治理后邊坡位移進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：邊坡經(jīng)錨桿、錨索+抗滑樁聯(lián)合支護(hù)后總位移與水平位移均降低35%以上，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)限制邊坡位移效果明顯。姜紅斌[3]利用有限元分析軟件FLAC3D，建立了錨桿+抗滑樁的加固邊坡模型，對錨桿+抗滑樁組合結(jié)構(gòu)加固邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：組合加固結(jié)構(gòu)中，錨桿的位移與軸力的變化對應(yīng)關(guān)系清晰，說明錨桿能夠發(fā)揮其作用。舒海明等[4]結(jié)合順層邊坡工程實(shí)例，對大錨桿聯(lián)合抗滑樁在順層邊坡支擋的應(yīng)用進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：采用大錨桿聯(lián)合抗滑樁對順層邊坡進(jìn)行防護(hù)，能夠有效保障施工安全和加固作用。楊開業(yè)[5]通過理論推導(dǎo)出給定安全系數(shù)條件下的抗滑樁側(cè)有效抗力的表達(dá)式，對錨桿與抗滑樁協(xié)同作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：隨錨桿布設(shè)數(shù)量的增加，其對抗滑樁樁側(cè)有效抗力影響會(huì)增強(qiáng)。

以上研究涉及數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)對抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，同時(shí)也包含大錨桿聯(lián)合抗滑樁治理順層邊坡的研究，這些研究成果為組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究起到重要作用。然而，及錨桿豎向間距對抗滑樁影響的研究較少?；诖?，本文結(jié)合實(shí)際邊坡治理實(shí)例，利用有限元軟件MIDAS GTS，建立抗滑樁+不同豎向間距錨桿的邊坡治理模型，對組合結(jié)構(gòu)中抗滑樁的位移、內(nèi)力以及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文的研究成果可為類似邊坡治理工程中，錨桿豎向間距的選擇提供參考。

1 工程概況

邊坡工程位于山區(qū)水庫庫岸，地地勢呈現(xiàn)出東部底，西部、南部、北部地勢高，東部主要為中底山、盆地等，西部為丘陵?duì)钪猩絽^(qū)。該地氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫14～18℃，該地氣候具有無嚴(yán)寒、無酷暑的特點(diǎn)。邊坡地質(zhì)條件主要涉及的巖土層有3種，分別為層厚最小的風(fēng)化土層、最底層的中風(fēng)化巖層以及中部厚度最大的強(qiáng)風(fēng)化巖層。邊坡上部植被發(fā)育一般，坡頂和坡面無大型直立樹木，坡底主要分布著草本植物。

邊坡經(jīng)現(xiàn)場勘查與計(jì)算分析后，決定采用抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)對該邊坡進(jìn)行支護(hù)?？够瑯督孛娉叽鐬?m×3m，樁長為15m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，抗滑樁與巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 抗滑樁與邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

錨桿的長度均為10m，錨桿的水平間距為3m，成孔采用帶螺旋鉆桿的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，灌漿方式為全黏結(jié)式，錨桿參數(shù)見表2。

表2 錨桿參數(shù)

2 有限元模型

該邊坡左高為28m、右高為63m，長為75m，邊坡有限元模型如圖1所示。

圖1 邊坡有限元模型圖

該邊坡有限元模型采用巖土領(lǐng)域分析軟件MIDAS GTS建立，共劃分1497個(gè)節(jié)點(diǎn)與1513個(gè)網(wǎng)格，各材料有限元參數(shù)見表3。

表3 各材料有限元參數(shù)

為保證不同材料之間有良好的耦合，在不同材料接觸處共用有限元節(jié)點(diǎn)。依次為模型添加邊界條件與自重荷載，并設(shè)置與四組錨桿對應(yīng)的分析工況。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

邊坡有限元模型經(jīng)運(yùn)算求解后，得出抗滑樁+不同豎向間距錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中抗滑樁的樁身位移、內(nèi)力以及邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)，并依次對其進(jìn)行分析。

3.1 抗滑樁樁身位移分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身位移圖如圖2所示。

圖2 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身位移圖

由圖2可知，組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿豎向間距對抗滑樁樁身位移有明顯的影響；隨錨桿豎向間距的增大，抗滑樁樁身位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，抗滑樁的樁身位移最小，此時(shí)樁頂位移為1.6cm；當(dāng)錨桿豎向間距為4m時(shí)，抗滑樁樁身位移最大，此時(shí)樁頂位移為3.8cm。通過上述分析可得錨桿的豎向間距過大或過小均會(huì)使抗滑樁樁身位移增大。

3.2 抗滑樁樁身內(nèi)力分析

3.2.1抗滑樁樁身彎矩分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩圖如圖3所示。

圖3 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩圖

由圖3可知，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩分布形式基本一致，均呈現(xiàn)彎矩?cái)?shù)值先增加后減小的趨勢，但抗滑樁的樁身彎矩?cái)?shù)值大小有明顯差異；當(dāng)錨桿豎向間距為2.5m時(shí)，抗滑樁樁身彎矩?cái)?shù)值明顯高于其他豎向間距錨桿下的樁身彎矩，此時(shí)樁身彎矩?cái)?shù)值最大為10110kN/m；當(dāng)錨桿豎向間距為4m時(shí)的抗滑樁樁身彎矩?cái)?shù)值較其他豎向間距錨桿下的樁身彎矩??；不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身彎矩?cái)?shù)值最大時(shí)，抗滑樁的埋深均為10.7m；隨錨桿豎向間距的增加，抗滑樁的樁身彎矩大小逐漸減小。

3.2.2抗滑樁樁身剪力分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力圖如圖4所示。

圖4 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力圖

由圖4可知，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力整體形式差異不明顯，差異明顯的是在剪力數(shù)值以及趨勢的變化上；在埋深5～7m之間，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力開始減小，但減小幅度不大；當(dāng)錨桿豎向間距為2.5m時(shí)，抗滑樁樁身剪力數(shù)值明顯高于其他豎向間距錨桿下的樁身剪力，樁身最大正剪力的數(shù)值為1606kN，樁身最大負(fù)剪力的數(shù)值為3519kN；當(dāng)錨桿豎向間距為4m時(shí)的抗滑樁樁身剪力數(shù)值較其他豎向間距錨桿下的樁身剪力??；隨錨桿豎向間距的增加，抗滑樁的樁身剪力大小逐漸減??；在埋深10～12m之間，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身剪力方向均發(fā)生變化。

3.2.3抗滑樁樁身軸力分析

不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身軸力圖如圖5所示。

圖5 不同豎向間距錨桿下抗滑樁的樁身軸力圖

由圖5可知，當(dāng)埋深在3～6m的范圍內(nèi)，抗滑樁的軸力會(huì)出現(xiàn)負(fù)值；在埋深0～8m之間，不同豎向間距錨桿下抗滑樁的軸力基本相同；在抗滑樁埋深較大時(shí)，豎向間距為3.5m錨桿下的抗滑樁軸力最??；錨桿豎向間距為2.5與3.5m時(shí)，抗滑樁的底部軸力會(huì)發(fā)生減小的變化趨勢。

綜上所述，抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿的豎向間距對抗滑樁樁身內(nèi)力有明顯的影響；隨錨桿豎向間距的增大，抗滑樁的樁身彎矩與剪力數(shù)值大小均減小，原因是由于錨桿豎向間距增加使錨桿為抗滑樁分擔(dān)更多的滑坡推力；在潛在滑動(dòng)面以上部分的抗滑樁樁身軸力基本相同，錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，潛在滑動(dòng)面以下部分抗滑樁的軸力最小。

3.3 邊坡穩(wěn)性分析

3.3.1天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性分析

天然狀態(tài)下邊坡的水平位移云圖如圖6所示。天然狀態(tài)下邊坡的塑性應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖6 天然狀態(tài)下邊坡的水平位移云圖

圖7 天然狀態(tài)下邊坡的塑性應(yīng)變云圖

由圖6可知，天然狀態(tài)下邊坡的水平位移較大，不滿足規(guī)范20mm的安全限值；邊坡水平位移主要集中于風(fēng)化土區(qū)域。由圖7可知，邊坡在天然狀態(tài)下存在貫通的潛在滑動(dòng)面，天然狀態(tài)下的邊坡十分不穩(wěn)定；邊坡塑性應(yīng)變的集中區(qū)域在風(fēng)化土與強(qiáng)風(fēng)化巖的交界面附近。通過上述天然狀態(tài)下的分析可以體現(xiàn)出采用抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)對該邊坡進(jìn)行加固的必要性[6]。

3.3.2支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性分析

不同工況下邊坡的最大水平位移與穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

表4 不同工況下邊坡的最大水平位移與穩(wěn)定安全系數(shù)

由表4可知，錨桿的豎向間距對組合結(jié)構(gòu)支護(hù)邊坡的穩(wěn)定性有明顯影響，當(dāng)抗滑樁+豎向間距為3.5m錨桿加固工況下，邊坡的最大水平位移降低最為顯著，最大水平位移較天然狀態(tài)工況降低了70.8%，此時(shí)的穩(wěn)定安全系數(shù)最大，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.40，較天然狀態(tài)工況下提升了34.6%；隨錨桿豎向間距的增加，邊坡最大水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬技術(shù)，對錨桿豎向間距對抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中抗滑樁的影響進(jìn)行研究，可得出以下結(jié)論。

(1)隨錨桿豎向間距的增大，組合結(jié)構(gòu)中抗滑樁樁身位移先減小后增大；當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，抗滑樁樁身位移最小，此時(shí)抗滑樁樁頂位移為1.6cm。

(2)抗滑樁樁身彎矩與剪力的數(shù)值大小隨錨桿豎向間距的增大而減??；錨桿豎向間距對抗滑樁軸力的影響規(guī)律并不明顯，當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，抗滑樁底部的軸力最小。

(3)錨桿豎向間距對邊坡穩(wěn)定性有明顯的影響，隨錨桿豎向間距的增大，邊坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當(dāng)錨桿豎向間距為3.5m時(shí)，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提升最明顯，穩(wěn)定安全系數(shù)提升了34.6%。

(4)本文只針對抗滑樁+錨桿組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿對抗滑樁的影響進(jìn)行研究，關(guān)于組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中抗滑樁的參數(shù)對錨桿的影響有待深入探究。