(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　山東　青島　266590)

前言

抗滑樁作為邊坡加固的一種有效措施，與其他抗滑工程相比，具有支擋效果好、施工期短、施工靈活、抗滑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡加固工程中。極限平衡法只是對(duì)樁體受力形式及滑動(dòng)面進(jìn)行假設(shè)，不能有效反映樁-土之間耦合效應(yīng)和邊坡滑移特征[1,2]；數(shù)值分析法基于有限元法或有限差分法給邊坡的數(shù)值模擬提供了新手段[3]。

Won等[4]利用極限平衡法和FLAC3D從邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)和抗滑樁的力學(xué)響應(yīng)兩方面對(duì)比分析，研究邊坡的穩(wěn)定性；劉怡林[5]等利用FLAC3D分析了抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)化問(wèn)題；楊光華等[6]基于FLAC3D數(shù)值模擬，研究抗滑樁加固位置與安全系數(shù)的關(guān)系，王聰聰?shù)萚7]對(duì)抗滑樁加固邊坡效果進(jìn)一步優(yōu)化分析；戴自航等[8]分析了實(shí)際工程邊坡的抗滑樁最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。目前在抗滑樁加固邊坡的優(yōu)化模擬中，以優(yōu)化樁長(zhǎng)為主，常以邊坡穩(wěn)定性系數(shù)作為唯一的優(yōu)化指標(biāo)，忽略了樁-土之間的耦合效應(yīng)，彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁自身內(nèi)力、變位特點(diǎn)研究較少，常以工程經(jīng)驗(yàn)確定樁體彈性模量，對(duì)其取值不規(guī)范。

利用考慮樁-土之間耦合效應(yīng)的強(qiáng)度折減法，在FLAC3D中用樁單元模擬抗滑樁，研究其布設(shè)位置、樁長(zhǎng)以及彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響，分析不同工況下的樁身內(nèi)力、樁身變位特點(diǎn)，為類似抗滑樁加固高陡巖質(zhì)邊坡中邊坡工程設(shè)計(jì)提供參考。

一、抗滑樁加固作用的數(shù)值實(shí)現(xiàn)

在FLAC3D數(shù)值模擬中以樁單元模擬抗滑樁可以獲得較多的計(jì)算信息，固采用樁單元模擬抗滑樁。樁-土之間的相互作用通過(guò)法向和切向的耦合彈簧實(shí)現(xiàn)，耦合彈簧是非線性彈簧-滑塊連接體，能夠?qū)崿F(xiàn)樁單元與實(shí)體單元網(wǎng)格間力與彎矩的傳遞。

在樁節(jié)點(diǎn)和圍巖網(wǎng)格之間發(fā)生相對(duì)位移產(chǎn)生剪力計(jì)算公式如下：

式中：FS表示剪切連接彈簧產(chǎn)生的剪切力；L表示單元長(zhǎng)度；css表示剪切連接彈簧的剪切剛度；usi、usm分別為樁的軸向位移和巖土介質(zhì)面的軸向位移?？够瑯兜姆ㄏ蜻B接彈簧的法向力的計(jì)算公式如下：

式中：Fn表示法向耦合彈簧產(chǎn)生的法向力；L表示有效單元長(zhǎng)度；cns表示法向連接彈簧的法向剛度；uni、unm分別表示垂直于樁軸向方向樁的位移和垂直于樁軸向方向介質(zhì)面的位移。

二、抗滑樁加固邊坡數(shù)值模擬

按平面應(yīng)變建立邊坡計(jì)算模型，巖土體采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)采用強(qiáng)度折減法計(jì)算，計(jì)算是否收斂作為邊坡的失穩(wěn)判據(jù)。利用自編的FISH語(yǔ)言將滑移面數(shù)據(jù)取出，將滑動(dòng)面上各點(diǎn)的位移量化。

該邊坡巖層傾角較大，傾角為60°，為高陡順層巖質(zhì)邊坡。根據(jù)邊坡動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJH)與黃鐵絹英巖化花崗巖(γJH)交界面的位移較大，為潛在滑移面?？够瑯恫捎弥睆紻=2m，考慮潛在滑移面距坡面距離，初設(shè)樁長(zhǎng)20m，從6m變化到48m，步長(zhǎng)為6m，L為邊坡水平投影長(zhǎng)度為48m，因此LX/L=1/8～1.0。

表1　計(jì)算參數(shù)

三、抗滑樁優(yōu)化分析

(一)抗滑樁加固位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

抗滑樁加固位置對(duì)邊皮穩(wěn)定性的影響如圖3所示，從圖3可以看出，當(dāng)樁長(zhǎng)較小時(shí)，抗滑樁加固位置對(duì)邊坡的穩(wěn)定性較小當(dāng)設(shè)樁設(shè)在臨近坡腳處時(shí)，抗滑樁對(duì)邊坡支護(hù)效果不明顯。隨著LX/L逐漸增大，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大，支護(hù)效果越明顯。當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到30m時(shí)，最優(yōu)設(shè)樁位置不再是邊坡中部，即L5位置，支護(hù)效果最佳。

(二)抗滑樁樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

由圖3可知，在L1、L2位置，樁長(zhǎng)的變化對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均小于1，邊坡不穩(wěn)定。當(dāng)超過(guò)L2位置后，抗滑樁越長(zhǎng)，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)越高，但當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度后，抗滑樁長(zhǎng)度增加對(duì)邊坡的支護(hù)效果不再起明顯作用。說(shuō)明抗滑樁存在一定的有效的嵌固深度，根據(jù)工程特例，受設(shè)樁位置影響，在L5位置有最大的嵌固深度。

1-L1；2-L2；3-L3；4-L4；5-L5；6-L6；7-L7；8-L8

(三)抗滑樁彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

在L5位置，樁長(zhǎng)達(dá)到32m時(shí)支護(hù)效果最佳，僅調(diào)整抗滑樁的彈性模量ES進(jìn)行分析。如圖3所示，抗滑樁的彈性模量增大，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)增加不明顯，變化率僅為1.15%，因此，抗滑樁彈性模量在20GPa～40GP之間變化時(shí)，可認(rèn)為對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)無(wú)影響。

圖4　抗滑樁彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響

(四)抗滑樁彈性模量對(duì)樁身內(nèi)力和變位的影響

不同彈性模量工況下的樁身內(nèi)力和樁身?yè)隙茸兓€如圖5、圖6、圖7所示?？梢钥闯?，樁身彎矩、剪力隨樁身彈性模量增大而增大，樁深約-18m處彎矩取得最大值。對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，樁身的內(nèi)力變化十分有限，彎矩相對(duì)誤差僅有18.6%，樁頂撓度僅相差3.5mm，隨著樁深度的增加，不同樁身彈性模量的撓度值基本趨于一致。

綜合邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、樁身內(nèi)力及抗滑樁變位分析，提高抗滑樁彈性模量在一定程度上能夠減小樁體變位，但是變化幅度十分有限，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)增加不明顯。在施工過(guò)程中，提高抗滑樁的彈性模量勢(shì)必使用更高強(qiáng)度的混凝土或受力鋼筋，這都將提高抗滑樁成本，所以，在抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工程需要，合理確定抗滑樁彈性模量。

彈性模量/GPa：1-20；2-25；　3-30；4-35；5-40

彈性模量/GPa：1-20；2-25；　3-30；4-35；5-40

彈性模量/GPa：1-20；2-25；3-30；4-35；5-40

四、結(jié)論

以工程特例為研究對(duì)象，采用強(qiáng)度折減法為研究手段，研究抗滑樁其布設(shè)位置、樁長(zhǎng)以及彈性模量對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)樁設(shè)在坡腳處時(shí)及L1、L2位置時(shí)，樁長(zhǎng)的變化對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小。當(dāng)樁長(zhǎng)較小時(shí)，設(shè)樁位置的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)影響也很小，樁長(zhǎng)較大時(shí)(大于24m)，設(shè)樁位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響顯著增強(qiáng)。當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)32m時(shí)，設(shè)樁位置在L5位置時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)取得最優(yōu)值。

(2)抗滑樁加固邊坡的邊坡工程中，存在一定的嵌固深度，嵌固深度受工程地質(zhì)條件的影響，不同的設(shè)樁位置，嵌固深度不同。當(dāng)樁長(zhǎng)達(dá)到嵌固深度，能夠有效的阻斷潛在滑移面，當(dāng)樁長(zhǎng)繼續(xù)增加時(shí)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響較小。

(3)提高抗滑樁彈性模量不能提高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，只是在一定程度上能夠減小樁體變位，彎矩相對(duì)誤差僅有18.6%，樁頂撓度僅相差3.5mm。因此，在抗滑樁加固邊坡工程的設(shè)計(jì)中，根據(jù)工程需要，合理確定抗滑樁彈性模量。

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