基于FLAC 3D的抗滑桩优化设计探讨

王　路

(湖南省武靖高速公路建设开发有限公司，湖南 武冈　422400)



基于FLAC 3D的抗滑桩优化设计探讨

王路

(湖南省武靖高速公路建设开发有限公司，湖南 武冈422400)

抗滑桩在滑坡工程的治理中，应用广泛。采用FLAC3D有限差分软件对滑坡抗滑桩设计进行优化。分析过程中地层模型选用摩尔-库伦模型，抗滑桩采用桩单元，分别从设桩位置、桩长以及桩间距影响等方面进行了分析，获得了较经济合理的设计方案。

；滑坡；抗滑桩；FLAC3D；优化设计

作为一种滑坡治理的主要措施，抗滑桩的使用非常广泛。然而，抗滑桩的设计理论大部分都是建立在假设和近似的基础上，设计结果保守，造成了滑坡治理资金的巨大浪费[1，2]。FLAC3D是岩土工程领域常用的一种有限差分软件。在FLAC3D中使用强度折减法进行边坡稳定性分析，是一种常用的方法，已经得到了广泛的认可[3，4]。本文拟采用FLAC3D软件，通过强度折减法来探讨抗滑桩的设计，以期对设桩位置、桩长以及桩间距等重要参数进行优化，获得较为经济合理的设计方案。

1　工程概况

某滑坡区域处于低山丘陵地貌，勘察报告提供的地层参数如表1所示。边坡现状示意图如图1所示。通过传递系数法计算，得到该边坡的稳定性安全系数为0.96，处于临界滑动状态。

表1 勘察报告提供的地层参数层序岩土名称天然重度γ/(kN·m-3)抗剪强度内聚力c/kPa内摩擦角ϕ/(°)1残坡积层18.520132全风化泥灰岩19.05303强风化泥灰岩2115304中风化泥灰岩2310035

采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟分析。分析过程中地层模型选用摩尔-库伦模型，采用自编的强度折减法进行未加固边坡稳定性分析。各地层摩尔-库伦模型中重度、内聚力和内摩擦角参数分别选取表1中的数据，其余参数选取如下：体积模量1.2e8 Pa，剪切模量4e7 Pa，抗拉强度1e6 Pa。FLAC3D计算得到的边坡稳定系数为0.97，x方向速度云图及速度矢量图如图2所示。

图1　边坡现状示意图

图2　x方向速度云图及速度矢量图

2　抗滑桩优化设计

选择抗滑桩对该边坡进行加固，分别从设桩位置、桩长以及桩间距影响等方面进行分析，力求找到最优的加固设计方案。

2.1结构参数选择

数值分析中，地层模型仍选用摩尔-库伦模型，选取表1所示的土体参数。抗滑桩使用桩单元进行模拟，桩单元各参数选取如下(桩单元参数含义见文献[4])：

2 m×3 m矩形桩参数：dens=2 500，emod=30e9，nu=0.25，xcarea=6，xciy=4.5 xciz=2，xcj=6.5，per=10，cs_sk=1.3e11，cs_scoh=2.0e5，cs_sfric=40，cs_nk=1.3e11，cs_ncoh=2.0e5，cs_nfric=40，cs_ngap=off。

2.2设桩位置优化

分别在滑坡前缘部位距离剪出口位置6、9、12、15 m的地方设置25 m长的抗滑桩进行分析，选择设桩的最佳位置。桩截面为2 m×3 m，桩间距为4 m。不同设桩位置的剪应变增量云图如图3所示。

图3　不同设桩位置剪应变增量云图

由上述云图(图3)与无加固边坡剪应变云图(图2)进行对比分析可看出：设桩后最大剪应变增量均减小了。无加固边坡最大剪应变增量位置即为剪出口位置。距离剪出口6 m及9 m设桩时，最大剪应变增量所在的地方均在桩头所在的位置，认为在此两个位置设桩，坡体后部也有可能形成越过桩顶的其他滑动面。在12 m及15 m位置设桩时，不会形成贯通的滑动面，最大剪应变增量位置仍在剪出口位置，认为在此两个位置加固时，能阻挡住滑坡中部以及后缘的推力，桩体前部的滑坡前缘部分仍有可能产生局部的滑移，因此可在剪出口前方设置一道高3 m左右重力式挡墙，进一步提高边坡稳定性。再次比较安全系数，距离剪出口位置6、9、12及15 m设桩时的安全系数分别为1.03、1.14、1.52以及1.37。因此，综合分析，认为在距离剪出口位置12 m处设桩最优。

2.3桩长优化

在距离剪出口12 m的位置布置20、25、30 m等长度的抗滑桩。桩截面为2 m×3 m，桩间距为4 m。剪应变增量云图如图4所示。由剪应变增量云图对比可知，桩长越长，剪应变增量最大值越小，但25 m与20 m桩长之间的最大剪应变增量差值较大，25 m与30 m桩长之间的最大剪应变增量差值较小。再通过安全系数进行比较，20 m时安全系数为1.16，25 m时安全系数为1.52，30 m时安全系数为1.54。由此可见，桩长由20 m增加到25 m时，抗滑效果增加较明显，由25 m增加到30 m时，抗滑效果增加不大。因此可选择25 m作为设计桩长。

图4　不同桩长时剪应变增量云图

2.4桩间距对桩身内力影响分析

选择在距离剪出口12 m处设桩截面为2 m×3 m的矩形桩，且桩长25 m，桩间距为4 m时，内力较大，初步计算需要配置36根Φ36钢筋，配筋量较大，可考虑通过调整桩间距来优化设计方案。桩间距分别设置为3、4、5 m进行计算。桩间距不同时，最大剪力、最大弯矩以及剪力为0(弯矩最

大)点与桩顶的距离统计结果如表2所示。由表可知，桩间距取4、5 m时剪力和弯矩较大，桩间距为3 m桩身内力值较为适宜。

表2 桩身内力值桩间距/m最大剪力/kN最大弯矩/(kN·m)剪力0点与桩顶距离/m333902065014463603380014567683790014

3　结论

通过传递系数法及FLAC3D强度折减法分析，未加固边坡处于临滑状态。对抗滑桩加固边坡进行数值模拟，通过各种分析，认为抗滑桩设置在距离剪出口12 m处，桩长设计为25 m，桩截面选择2 m×3 m，桩间距为3 m，是一种较经济合理的设计方案。该设计方案下，加固后边坡稳定安全系数为1.52，桩身最大剪力为3 390 kN，桩身最大弯矩为20 650 kN·m。该处设桩时，边坡不会出现贯通的滑动面，但桩前的滑坡体仍然可能产生局部滑移，因此可以在剪出口下方设置约3 m高的重力式挡土墙，进一步增加边坡前缘的安全性。

[1]冯文娟，琚晓冬.基于FLAC3D的抗滑桩设计方法研究[J].岩土工程学报，2011，33(S2)：256-259.

[2]陈新泽，郑颖睿.基于FLAC3D的抗滑桩间距优化设计研究[J].路基工程，2014(6)：135-139.

[3]郑文棠.基于FLAC3D的强度折减法和点安全系数法对比[J].水利与建筑工程学报，2010(4)：54-57.

[4]左巍然，刘平.炭质页岩蠕变特性及软弱夹层边坡稳定性分析[J].湖南交通科技，2014(3)：1-4.

[5]陈育民，徐鼎平.FLAC及FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

2016-06-29

王路(1986-)，男，主要从事高速公路建设管理方面的工作。

；1008-844X(2016)03-0021-02

；U 416.1

；B