抗滑樁支護邊坡靜力與動力研究

周雯

安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230088

引言

由于地形條件的限制，存在著大量的滑坡，而在受外部干擾的條件下，軟黏土的邊坡更容易遭受破壞，因此需要進一步的研究。由于軟黏土地層邊坡失穩機制不清楚，抗滑樁支護的作用不明顯，采用理論分析、數值模擬和工程應用相結合的方式，分析了該邊坡的穩定性，并以其良好的綜合性能和較好的力學性能為基礎，進行了邊坡的支撐。根據邊坡變形特征和抗滑樁的受力狀況，探討了在軟黏土地層中采用拱式抗滑樁的加固作用。

1 抗滑樁支護邊坡分析

雖然起步比較遲，但是經過多年的理論和實際工作，目前國內對抗滑樁的防滑性和防滑性的研究與國際上已沒有太大的距離?？够瑯妒悄壳皬V泛使用的一種滑坡支護形式，其工作機理是將樁身嵌入到邊坡下部的穩定巖石中，通過其本身的力量和樁土之間的相互影響，達到均衡和提高其承載能力，從而提高其應力狀況。隨著抗滑樁的大量使用，在工程建設中，可以依據地質條件、坡體大小、地形地貌和坡體的水文條件選擇木樁、鋼管樁和鋼筋砼樁。按樁的施工方式分為打入樁、灌注樁和人工挖孔樁，按樁的斷面形狀分為：方形，圓形，管狀，H形等。在實際施工中，由于不同類型的抗滑樁所起到的作用也不盡相同，因此所產生的應力形態也不盡相同，其中的樁身分為橫向和縱向兩種，這兩種類型的樁體都是由橋面的上部構件所承受的垂直載荷所引起的。而作為滑坡支護結構中的抗滑樁則是橫向承重，通過地基本身的抗剪切和樁身的強度將其傳遞給抗滑樁，從而將其承受的滑動量轉化為較低的穩定性，其主要功能是承受橫向土的荷載。根據樁頂與邊坡的間距，可以將其分為懸臂型和埋置型。按支護前、支護結構的不同，可以將支護結構劃分成兩類。第一類：在沒有巖石或在沒有地基的情況下，在沒有地基基礎的情況下，不能計算出樁前土的受力。樁頭有巖土，這時應將樁前土的抗剪強度計算在內。埋置抗滑樁是將整個樁身置于滑坡體內，并與其表層之間有一段高度差異。第二類：在有巖石或穩定地基的情況下，可以計算出樁前土的受力。這類支護結構通常被稱為承載樁或支承樁。在這種情況下，樁身被埋置在穩定的巖土層或地基中，通過樁身與地基之間的摩擦力或端承力來傳遞荷載，從而提供支護效果。承載樁的設計和施工需要充分考慮地基的承載能力和變形特性，以確保支護結構的安全性和穩定性。

2 抗滑樁支護邊坡靜力與動力模型建設

2.1 動力模型

動態模型和靜態模型在尺寸、材料分組、參數和網格劃分方面都是一樣的，在靜態力學分析結束后，對模型的邊界進行了重新界定，在動態計算中對模型的底部進行了處理。在FLAC3D中，采用了一個動態的邊界條件，并對其進行了機械阻尼的設置。在動態分析中，可以選用瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼三種不同的阻尼形式。在進行動態計算前，必須用動態負載的方法對其進行動態載荷計算分析。利用FLAC3D中FISH函數編寫三維速度、加速度和應力函數，并利用 FISH函數對其進行動態加壓。但是，使用FISH功能的方法，當采用動態載荷時，其輸出的速度和加速度等參數與實際的地震反應有很大的差異，無法對其進行真實的地震反應，從而導致了不精確的結果。利用真實的地震資料，編寫出與之對應的震源數據。這種方法使用了真正的通過對實測數據的觀測，可以更好地反映出實際情況下所承受的地震荷載。地震動強度、動頻譜特性和地震持續期是地震動力計算中的一個主要因素。在選擇地震波時，要綜合考慮3個因素，并要注意根據現實狀況進行相應的調節。最后，在動態分析中選取了一個具有0.02s、10s的周期的El-Centro波段，以探討在7個級別的地震設防條件下，抵抗滑動樁基的作用。但在FLAC3D中，采用了一組不連續的荷載，所以在進行了地震荷載作用下的計算時，采用了一系列的荷載。在此基礎上，首先要對所加地震波進行相應的處理，這一過程中，首先要對所加的地震波進行過濾，然后進行基線修正，使所述地震波的最小化，使所述模型的整體網孔減小，并使所述模型的整體數目減少，最后能夠明顯地減少動態計算所需要的時間。

2.2 靜力模型

從以上結果可以看出，樁間土在自重和外力的共同作用下，會發生對應的垂直下沉，而樁的側向摩擦力與地基的相對于地面的下沉，從而在樁之間形成垂直的土拱。根據樁間橫向土拱的試驗結果，結合樁間土的垂直沉降和樁側土之間的摩阻效應，提出了一種基于垂直土拱樁的三元計算模式，以證實樁間豎直土拱的存在，并對各種影響因子的變化和規律進行了分析。

利用有限元方法計算出了樁間豎向土拱的四次方程式，并對樁間土的受力和變形進行了研究，結果表明：當樁間距越大，豎直土拱的影響越大，而當樁間距越大，豎直土拱的成拱作用越弱，2b～3b樁間距越大，垂直土拱的效果越好，越能抑制樁間的土體下沉。在樁間土間距超過5個后，樁間土的垂直變形趨于穩定，也就是說，如果有抗滑樁，則不會對其垂直穩定性產生任何的影響，從而使樁間豎向土的受力減弱或消失。所以，在實際抗滑樁施工中，要使樁間土的形變充分發揮垂直土拱的功能，并適當地布置樁間距以節省工程費用，使樁間的垂直位移減小，垂直土拱的影響最大。根據仿真結果，樁間土體在垂直方向上產生的土拱，由于施加適當的外力，導致樁與土之間產生了較大的相對變形，在一定的崩塌壓力下，土體豎向壓縮強度降低，并產生了明顯的土拱效應，并在一定的壓力下產生了垂直土拱[1]。分析了樁間土壤的內磨角和樁間土壤的內磨角對垂直土拱的作用。在某一區域，由于土壤的黏性和內部摩擦角的增大，樁間豎直土拱效應明顯增大，因而能明顯地限制垂直方向的變形，在黏性 C＞50kPa，內磨角＞30°的情況下，樁間豎直土拱的穩定性越好，說明垂直土拱的作用不會隨土力學參數的增大而不斷增大，發現土體黏聚力對豎直土拱的影響較內摩擦角要大。從空間分布特征來看，不管樁間凈距的改變或外部荷載的差異，沿樁身深部的樁間豎直土拱較淺部土拱穩定性好，樁間土拱的破壞多從上部開始的，破壞大多發生懸臂段的上端。

通過對已有的有關土拱作用的研究，對抗滑樁－樁－土的相互作用機制進行了分析。利用FLAC3D有限差分軟件，對嵌入抗滑樁的支護進行了三維數值模擬。以橫向和縱向的土拱作為試驗材料，分析了不同荷載作用下的樁間土拱作用，并得出了以下幾個方面的結論：對樁間土體內的橫向土拱進行了分析，得出了水平土拱的橫梁是一條拋物線，隨著樁距的增大，樁間的土拱作用呈現出明顯的變化趨勢，且樁間的土拱作用由2b、3b、4b樁間土拱作用較明顯。結果表明，抗滑樁支護的效果是最好的，當樁間凈間距超出一定的距離時，其橫向土的作用難以得到充分的體現。通過計算，得出了在某一特定區域，樁間土拱承載力與樁頂之間的相互作用。隨著滑坡的推力增大，其強度也隨之增大，在黏性強度超過3個時，其變形量越小。隨著地基的不斷提高，混凝土的抗剪承載力逐步下降，拱頂高度下降，土拱的穩定性也隨之減弱。同時還發現，在某一特定區域，隨著土壤內摩擦角的增大，對樁間土的橫向作用有明顯的提高在土壤黏結度和內部摩擦角比較大的情況下，則存在橫向土拱作用。逐步穩定下來，沒有任何顯著的改變。分析結果表明，當土壤黏著力與內部摩擦角增大時，抗滑樁的最優樁間距增大，并得出了其對樁間的作用。通過對水平拱形的分析，得出：在垂直于樁的深度上，橫向的土拱的穩定性是逐步提高的[2]。

采用數值仿真方法，對樁間土在自重、外部荷載和樁身側面荷載作用下的垂直土拱進行了分析。由于受力限制，在相同的樁與樁之間存在著不均勻的沉陷，并在樁與樁之間形成垂直的土拱。同時，由于對垂直沉降的抑制作用，擬合出垂直土拱的拱軸為4次方程式，并且垂直土拱隨樁間距的增大由強變弱，2b～3b樁間的凈距離最大。得出了在產生垂直土拱時，樁間土體所需的外力會導致樁土產生大的相對位移，當滑動量大于2個土體的黏性時，垂直土拱的穩定程度逐步降低。不同的損傷使得樁間土的沉陷明顯增大，垂直土拱作用逐漸減弱。同時，當土壤的內磨角和黏性增大時，垂直土拱會逐步增大，從而可以有效地限制垂直方向的變化。在土壤黏性C≤50kPa、內磨角≤30°時，樁間土的垂直土拱傾向趨向明顯穩固。同時，考慮到樁間的橫向和縱向的土拱效應，建議采用樁間距在一定范圍內。在2b至3b的區域，也就是每根樁距不得大于3個樁徑，這樣可以最大限度地利用樁間土的變形。同時，由于樁間的橫向土拱和垂直土拱效應，可以使樁間的間隔適當的布置，從而節省了項目成本[3]。

3 抗滑樁支護邊坡靜力與動力數據分析

對于含有軟黏土的邊坡體，其內部構造比較復雜，且有多個滑動表面，其支撐結構具有很高的空間特性，因此對于邊坡支護具有很好的應用前景。為了加深對軟黏土邊坡體結構的認識，檢驗其應用前景[4]。通過對軟弱地基的模擬，對不同厚度、不同角度軟弱地基的軟弱地基進行了計算，并根據軟弱地基的不同角度，對不同軟弱地基的軟弱地基進行了計算。建議采用帶連接梁的拱形布置抗滑樁支護基體，并與直線布置的抗滑樁基體進行比較，結合邊坡穩定因子抗滑樁基體的內力變化，計算了兩類樁基的支護作用。

通過實際應用，檢驗了兩種不同類型的抗滑樁支護作用，得到以下幾個方面的主要結果：當軟黏土夾角不變時，軟黏土的變化對斜面的穩定作用不超過4%。軟黏土的厚度維持不變，隨著軟黏土夾角增加，其穩定因子逐漸降低。當巖土和巖土之間的比例改變時，巖樣的臨界滑動表面會發生相應的改變，而當巖土夾角較大時，引起巖樣變形的各參量比減小，而黏性土的參數對巖樣的影響則相對較少。采用拱形布置和采用線性布置的抗滑樁在邊坡支護時，由于樁身長度不大，受連接梁柱的作用比較大，且在受力變形時，各個抗滑樁相互配合。當樁長比較大時，兩種不同類型的抗滑樁受力均有所下降。由于拱式抗滑樁在邊坡處所承受的正向土體應力將其轉換成橫向推力，因而其前向彎矩和剪切力下降，因此，在相同跨度和截面面積相同的情況下，采用直線布置的抗滑樁比直線式抗滑樁要低26.1%，剪切強度要比直線式抗滑樁少24.85%。當邊坡在軟黏土地層中發生損壞，采用拱形布置抗滑樁支護時，其穩定因子比直線式大，而當坡底發生滑坡，當軟土夾角較低時，拱式支護邊坡的穩定因子比直線式的高，而當軟黏土層角大時，支護邊坡的穩定因子要比直線式的高。對兩類不同類型的邊坡體進行了全面的研究，得出了邊坡的穩定因子和樁身的變化規律[5]。

4 結束語

綜上所述，根據抗滑樁支護邊坡靜力與動力計算結果，研究了不同厚度、不同角度軟弱地基對軟弱地基的影響。建議采用帶連接梁的拱形布置抗滑樁支護基體，并與直線布置的抗滑樁基體進行比較，結合邊坡穩定因子抗滑樁基體的內力變化，計算了兩類樁基的支護作用。在計算抗滑樁彎矩和剪力時，采用梁單元對抗滑樁進行等效處理，數值模擬計算時會與實際情況存在一些偏差，還需要根據連系梁參數、拱形布設抗滑樁的拱軸線等方面進一步深入分析。