基于MIDAS的抗滑樁樁長影響的數值模擬研究

王春露

(阜陽市水利規劃設計院有限公司，安徽 阜陽 236000)

0 引言

在邊坡治理工程中，h型抗滑樁基于其自身整體剛度大、抵抗滑坡推力強、治理邊坡效果顯著等特點，得到廣泛應用。當前，關于h型抗滑樁的研究可圈可點，且相當一部分研究成果已用于工程實踐。李卿[1]利用Ansys Workbench軟件，對h型抗滑樁結構形式優化進行了分析研究，結果表明：方形截面h型抗滑樁較圓形截面h型抗滑樁受力更優，反放h型抗滑樁較正放h型抗滑樁更優。何志俊[2]結合工程實例，利用數值模擬技術，對h型抗滑樁的受力特征進行了研究，結果表明：在h型抗滑樁前后排樁的相同高度處，樁身應力分布規律基本相同。豐月華等[3]基于一套自主研發的樁物理模型試驗裝置，對上硬下軟地層中h型樁與滑坡相互作用機理進行了研究，結果表明：隨著上硬下軟地層中硬巖體積分數的增加，h型樁樁頂位移逐漸減小，前后排樁的最大彎矩值均逐漸減小，但當硬巖體積分數大于60%，最大彎矩值變化幅度較小。戎偉等[4]結合航道改建工程，通過現場監測技術，對H型預應力混凝土護岸樁樁土壓力與樁身應力進行監測，結果表明：背水側與臨水側的水平土壓力存在差異，樁身應力大于預應力。

學者們分別從數值模擬、室內實驗、現場監測的角度，對h型抗滑樁進行研究，研究成果對應用具有指導意義。然而，關于h型抗滑樁樁長影響的研究并未涉及?；诖?，下文結合工程實例，對h抗滑樁工作原理進行分析，利用數值模擬技術，分別對h型抗滑樁前后排樁樁長的影響進行探究。

1 工程概況

研究中，邊坡治理工程的地勢大致呈西北及西南略高，由東南方向逐漸上升。研究區地質構造古老，多以泥盆紀、二疊紀和三疊紀為地質基層，以石灰巖占優勢，頁巖、砂巖次之，第四紀赤紅壤土層為地表蓋層。氣候特征為：溫度高、光照豐富、降水量多但分布不均衡、有夏無冬，四季交替且分明，無霜時間較長。

2 有限元模型

2.1 抗滑樁工作原理

h型抗滑樁因其形狀似“h”而得名。在邊坡治理中，后排樁嵌固段以上的樁身，受到的外力主要為滑坡推力；前排樁嵌固段以上的樁身，主要受到的外力為樁前坡體抗力。h型抗滑樁前后排樁：連接方式主要為連梁，其次為前后排樁間土。在實際計算中，通常將前后排樁間土，按土彈簧進行考慮。連梁將前后排樁連接，形成一個整體結構，使空間剛度大幅提升，起到協調前后排樁的抗滑作用，同時提高抵抗滑坡推力。

2.2 模型建立

邊坡有限元模型采用MIDAS GTS NX進行建立，邊坡按平面應變考慮，巖土體采用摩爾庫倫本構模型，h型抗滑樁采用彈性模型。為保證計算的精度與速度，進行不同巖土層網格劃分時，采用不同的尺寸。風化土與強風化頁巖尺寸為2m，中風化頁巖尺寸為4m，邊坡共劃分網格1595個，共生成節點1648個。連梁與前后排樁的連接為剛性連接，保證彎矩與剪力的傳遞。施加自重荷載、邊界約束，設置天然狀態分析工況與不同樁長h型抗滑樁支護工況。

2.3 計算參數選取

邊坡涉及的主要巖土體類型，分別為風化土、強風化頁巖、中風化頁巖，3種主要的巖土體均為全場地分布，邊坡巖土層物理力學指標，如表1所示。

表1 邊坡巖土層物理力學性質指標

經現場勘測與計算分析，決定采用h型抗滑樁進行該邊坡工程的支護。h型抗滑樁的物理力學參數，如表2所示。h型抗滑樁前后排樁的截面尺寸均為2m×3m(寬×高)，連梁截面尺寸為2m×4m(寬×高)，前后排樁凈距為9m，連梁頂面在豎直方向上距后排樁樁頂為8m。h型抗滑樁所采用鋼筋等級為HRB400，采用的混凝土強度等級為C30，采用的成孔方式為機械成孔。當對h抗滑樁前排樁樁長影響進行研究時，保持后排樁樁長為24m；當對h抗滑樁后排樁樁長影響進行研究時，保持前排樁樁長為16m。

表2 h型抗滑樁的物理力學參數

3 數值模擬結果分析

3.1 天然狀態下邊坡穩定性

繪制天然狀態下邊坡等效塑性應變云圖。結果表明，邊坡天然狀態下等效塑性應變明顯，且等效塑性應變區有一定的寬度；邊坡等效塑性應變最為明顯的位置位于巖土層的交界面處；邊坡等效塑性應變區貫通，即邊坡在極限狀態下潛在滑動面貫通，此時，邊坡的穩定安全系數為1.05，邊坡穩定性較差。

繪制天然狀態下邊坡位移云圖，可知：天然狀態下，邊坡最大位移為36.7mm，不滿足規范要求的20mm，最大位移發生在坡面靠近坡腳的位置。在發生明顯位移的巖土體區域，從上到下坡面位移逐漸增大。這主要是因為，邊坡潛滑塊在自身重力作用下向坡腳匯集，最終導致位移增加。

3.2 前排樁樁長影響

不同前排樁樁長h抗滑樁的樁頂位移與最大樁身彎矩，如表3所示。由表3可知，隨著前排樁樁長的增加，h型抗滑樁后排樁樁頂位移隨之減小，且前排樁樁長的變化對后排樁樁頂位移的影響逐漸減小。當前排樁樁長大于18m時，前排樁樁長的變化對后排樁樁頂位移影響很小，此時的后排樁樁頂位移已能很好地滿足規范的位移要求；h型抗滑樁前排樁樁身最大彎矩是明顯大于后排樁樁身最大彎矩；隨前排樁樁長的變化，樁身最大彎矩變化不大。因此，可以默認前排樁長度變化，對h型抗滑樁前后排樁樁身最大彎矩基本沒有影響[5-6]。

表3 不同前排樁樁長h型抗滑樁的樁頂位移與最大樁身彎矩

由表3可知，邊坡經h型抗滑樁支護后，邊坡穩定安全系數均提升24%以上，邊坡最大位移均降低59%以上。隨前排樁樁長的增加，邊坡穩定安全系數呈現增加的趨勢，邊坡最大位移呈現減小的趨勢。當前排樁樁長大于18m時，前排樁樁長的變化對邊坡穩定安全系數與最大位移影響較小。因此，確認最優的h型抗滑樁前排樁樁長為18m。

3.3 后排樁樁長影響

不同后排樁樁長h抗滑樁的樁頂位移與最大樁身彎矩如表4所示。由表4可知，樁長的增加，樁頂位移逐漸減小，且樁頂位移減小的速率在逐漸變慢。隨后排樁樁長的增加，h型抗滑樁前后排樁樁身最大彎矩在逐漸增大，且增加速率基本相同。當后排樁樁長大于26m時，樁長變化對樁頂位移的影響很小。在后排樁樁長相同時，h型抗滑樁前排樁樁身最大彎矩明顯大于后排樁樁身最大彎矩[7-8]。

表4 不同后排樁樁長h抗滑樁的樁頂位移與最大樁身彎矩

由表4可知，隨樁長的增加，邊坡穩定安全系數整體呈現增加的趨勢，最高提升了38.1%。邊坡最大位移整體呈現減小的趨勢，最多降低了86.4%。當后排樁樁長大于26m時，樁長的變化對邊坡穩定安全系數與最大位移影響較小。因此，確認最優的h型抗滑樁后排樁樁長為26m。

綜上所述，h型抗滑樁前排樁樁長變化對其前后排樁樁身最大彎矩基本沒有影響。隨前排樁樁長的增加，h型抗滑樁后排樁樁頂位移減小，邊坡穩定性隨之提升。當前排樁長大于18m時，前排樁樁長的影響很小。后排樁樁長的增加，h型抗滑樁后排樁樁頂位移減小。前后排樁樁身最大彎矩增大，邊坡穩定性得到提升。當后排樁長大于26m時，樁長的影響對位移的影響很小。h型抗滑樁的樁長變化，主要是引起抗滑樁嵌固段長度的變化，進而對抗滑樁樁頂位移、樁身最大彎矩及邊坡治理效果產生影響。當前后排樁樁長達到一定長度后，樁長的影響都會變小。

4 結論

本文結合h型抗滑樁工作原理與數值模擬技術，分別對h型抗滑樁前后排樁樁長的影響進行研究，結論如下。

(1)邊坡經h型抗滑樁支護后，其邊坡穩定性得到顯著提升，穩定安全系數均提升超過24%，邊坡最大位移均降低超過59%。

(2)h型抗滑樁前后排樁長的變化均會造成影響。隨前排樁樁長的增加，h型抗滑樁后排樁樁頂位移減小，邊坡穩定性提升，樁身最大彎矩基本不變；后排樁樁長的增加，使樁身最大彎矩增大。

(3)綜合工程造價、抗滑樁位移、最大樁身彎矩及邊坡治理效果，可知，h型抗滑樁最優的前排樁樁長為18m，最優的后排樁樁長為26m。