不同地层和滑坡推力分布对微型桩受力影响分析

黄林，江南，冯君，张俞峰，何长江

不同地层和滑坡推力分布对微型桩受力影响分析

黄林，江南，冯君，张俞峰，何长江

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

针对“八”字形顶板连接微型桩组合结构，采用有限元方法研究不同地层组合条件下微型桩组合支护体系加固分级开挖边坡的地震动力特性。研究结果表明：最不利情况下，静力开挖作用与地震作用微型桩组合结构的变形方式均呈现出整体向山体外侧弯曲的趋势，且地震作用下微型桩轴力值较大；滑床岩体性质越好，微型桩所受轴力越小；在滑坡推力作用下，微型桩轴力极值基本都出现在靠山体侧微型桩上，实际工程中可根据靠山体侧桩受力进行设计；对于具有同一地层组合结构的边坡，不同滑坡推力分布形式下微型桩轴力大小排序为：滑坡推力均匀分布＞梯形分布＞三角形分布。

微型桩组合结构；数值模拟；不同地层组合；地震动力特性；滑坡推力分布

微型桩复合结构是一种新的支挡结构体系，通过顶板或顶梁以一定距离连接多个微型桩，用于滑坡治理，边坡加固和深基坑支护[1]。由于微型桩其施工速度快同时具有良好的柔韧性，因此被优先用于边坡工程的抗震抢险[2]。冯君等[3]将加固边坡的微型桩作为桩−岩−土复合结构，利用弹性地基梁理论建立了复合结构的理论计算模型，得到了滑坡推力下桩身受力为矩形分布力的结论。周德培等[4−6]对顶板连接的微型桩复合结构抗滑机理进行模型试验研究，提出了一种新的微型桩抗滑机理，即：发挥桩的抗拉强度和桩土间相互作用来抵抗滑坡推力。Marwan等[7]考虑桩倾角对地震荷载动力响应的影响，发现倾斜微型桩可改善桩应力分布。Ahmad等[8]通过模型试验和有限元分析研究了微型桩−土结构之间的相互作用。结果表明，斜桩可以减小桩顶位移，增加轴力，但桩顶与桩交接处弯矩会增大。Reza等[9]通过有限元分析了倾斜微型桩的动力响应。WANG等[10]对微型桩加固基础进行了有限元动力分析，并比较了土体在静载荷和地震作用下的位移。杜衍庆等[11]采用数值模拟方法，比较分析了桩间距、桩间土参数和桩基强度对群桩水平承载力的敏感性。李志雨[12]通过数值模拟研究，发现在利用微型桩进行滑坡治理时，其合理桩间距是桩径的5~10倍，同时顶板可有效提高微型桩的抗剪强度。邹立垒[13]通过数值模拟对超载下微群桩进行分析。结果表明，随着桩长的增加，桩身弯矩、侧向位移、坡顶水平位移均减小。王一建[14]利用FLAC3D分析了刚性材料、灌浆土和桩长对微型桩抗拔性能的影响。蒋楚生等[15]通过对微型桩复合结构的理论探讨，确定了复合桩的桩间距，桩前抗力和桩后滑坡推力。牛文庆[16]通过模型试验和数值分析研究了“人”形微型桩和平行微型桩在地震作用下的变形特性和内力分布特征。上述研究主要集中于微型桩的静力学特性，在边坡加固工程中受水平荷载作用下，对微型桩地震动力特性分析较少，且鲜见关于不同地层条件下微型桩动力特性研究。本文依托广大线(广通至大理)扩能改造工程，采用有限元软件Plaxis，分析不同地层组合条件下4级开挖边坡“八”字型微型桩复合结构的地震动力特性以及不同滑坡推力分布形式对其影响。

1 微型桩组合结构有限元模型

1.1 模型建立

该模型以广大线DK63+200断面为依托对象，包括分为上下部分的2种类型地层，如图1所示。其中微型桩的直径为150 mm，中间微型桩竖直布置，长18 m。山体侧和路面侧的微型桩与中间微型桩均成15°角，排列成八字形，分别长18.64 m。桩内加筋体为钢筋笼，主筋为间隔 120°焊接的 3 根32 mm螺纹钢。边坡计算几何模型尺寸长130 m，高68 m。岩土体和微型桩顶板由15节点高精度三角形实体单元模拟，锚杆、微型桩等采用结构单元模拟，网格划分如图2所示。

图1 广大线DK163+200工点断面图

图2 计算模型示意图

1.2 边坡土体及模型参数

岩土体视为弹塑性材料，服从摩尔库伦屈服准则；微型桩、顶板和锚杆则采用线弹性材料。材料参数如表1和表2所示。在动力学计算中，土体和结构的物理阻尼由瑞利阻尼模拟。为研究不同地层组合对微型桩受力的影响，本次数值计算采用的地层组合工况如表3所示。

表1 岩土材料参数

表2 结构材料参数

表3 地层组合类型

1.3 加载方式及约束条件

本次数值模拟可分为2种类型：静力和动力。在计算静力条件时考虑土体的自重；动力计算中的参考地震波是EL-Centro波，采用单向水平加载，持时为53.72 s，最大加速度为0.356 9，时程曲线如图3所示。在实际计算中，EL-Centro波被调幅处理，使得最大加速度为0.2，换句话说，加速度幅值减小但频率不变。在静力计算中，除了顶部自由以外，模型边界是对称约束的。在动力计算中，模型的上部是自由的，左边界和右边界作为吸收边界条件减小地震波的反射，底部施加水平地震加速度以模拟地震荷载的影响。

图3 美国EL-Centro地震波时程曲线

2 地震作用下微型桩受力分析

2.1 不同地层组合微型桩内力分析

由于微型桩相对细长，桩的稳定性主要取决于轴向拉伸或压缩作用[1]，故本文选择各阶段微型桩桩身轴力进行分析。本文分析步骤如下：首先边坡分级开挖稳定后(施工阶段)，获得各微型桩轴力沿桩深的分布；其次是边坡开挖完成后施加地震荷载(运营阶段)，同理可获取微型桩在地震力作用下的轴力大小和分布；与此同时，可得到各微型桩桩后土压力大小和分布。值得注意的是此处轴力是等效单宽轴力(kN/m，受拉为正)。

在地震力作用的过程中，边坡支护结构的内力在持续发生变化，最不利情况为结构内力达到峰值的时刻，因此取地震过程中内力峰值出现时刻所对应的数值绘制相关曲线图。图4~6是不同地层组合情况第4级边坡开挖及地震作用下轴力沿桩身分布情况。

图4 地层组合1第4级边坡开挖及地震作用下轴力沿桩深分布图

图5 地层组合2第4级边坡开挖及地震作用下轴力沿桩深分布图

1) 在静力作用下，微型桩轴力极值的出现位置与滑体、滑床的岩层性质有关，滑床岩体越软弱，极值出现位置越深，例如地层组合1(上部W3砂岩，下部W2砂岩)，山体侧桩轴力极值出现在桩深2.5 m附近，而地层组合3(上部软塑粉质黏土，下部硬塑粉质黏土)，其极值出现在桩深6 m处。

图6 地层组合3第4级边坡开挖及地震作用下轴力沿桩深分布图

2) 从地层组合1来看，轴向拉力极值出现在中间桩上；从地层组合2来看(上部软塑粉质黏土，下部W2基岩)，微型桩轴向拉力极值出现在山体侧桩上；从地层组合3来看，轴向拉力极值出现在中间桩上。因此，若仅从当前计算结果来看，不同岩层情况下，各排微型桩受力大小排序并不一致，似乎没有固定规律可循，但值得指出的是，当前计算岩体采用的本构关系为摩尔库伦模型，该本构没有考虑岩土体的压硬性(即模量随应力水平的变化)，由此会高估开挖引起的隆起变形，从而导致靠外侧微型桩内力变大，这与实际情况可能不符。地层组合2的岩层下部为较硬的W2基岩，上部为较软的软塑粉质黏土，相对于地层组合1和地层组合3而言其计算结果受开挖隆起变形影响相对较小，因此更接近于实际情况，认为山体侧桩受力最大，实际设计时可根据该桩的受力来进行设计。

3) 在地震作用下，微型桩的受力是往复变化的，最不利的情况仍表现为整体向山坡外弯曲，山体侧桩受拉，路面侧桩受压，且轴力数值上相对于静力开挖情况有较大幅度的增加。例如图4所示，对于地层组合1，静力情况下山体侧桩最大轴向拉力为9.1 kN/m，地震作用下增加至46 kN/m，增加了4.0倍；从图5可知，对于地层组合2，静力情况下山体侧桩最大轴向拉力为10 kN/m，地震作用下增加至34 kN/m，增加了2.4倍；从图6可知，对于地层组合3，静力情况下山体侧桩最大轴向拉力为38 kN/m，地震作用下增加至150 kN/m，增加了2.9倍。

(a) 微型桩变形形态；(b) 微型桩轴向受力

4) 在地震作用下，滑床的地层条件对微型桩地震反应影响较大，滑床岩体性质越好微型桩轴力越小，岩体性质越差，微型桩轴力越大。对比图5和图6，即地层组合2和地层组合3可知，2种工况滑体相同，滑床不同，地层组合2滑床为W2砂岩，其山体侧微型桩最大轴向拉力为34 kN/m，地层组合3滑床为硬塑状粉质黏土，相同位置的微型桩最大轴向拉力增加至150 kN/m，增加了3.4倍。

5) 如图7(a)所示，在静力作用下，微型桩组合结构的变形模式为整体向山外侧发生弯曲，即山体侧桩向受拉趋势发展，路面侧桩整体受压；例如地层组合2中，山体侧桩轴向力具有正值(拉力)，而道路侧桩的轴向力为负(压力)，且边坡地质条件越软弱，现象越明显；对于微型桩复合结构的受力机制，由于山体侧桩向受拉趋势发展，路面侧桩整体受压，桩群中只有中间桩整体受拉，微型桩组合结构在边坡加固工程应用中轴向受力模式可表示为图7(b)所示，这与文献[1]所得结论吻合，同时也验证了本计算模型的可靠性与正确性。

2.2 地震作用下桩后土压力分析

图8为不同地层组合条件地震作用下各排微型桩的桩后土压力分布，分析可知：地层组合1与地层组合2桩后土压力沿桩深分布呈现出逐渐增大的趋势，但在折线中出现一水平平台，该处桩后土压力激增，表明此处可能存在浅层滑面；地层组合3桩后土压力沿桩深呈现出波动增大的分布，并未出现前2种地层组合情况下在桩深某处桩后土压力激增(折线平台)现象，原因在于地层组合3上下地层均为粉质黏土，较前2种地层组合地质条件差，故上下部地层变形差异较小，致使分界滑动面的存在在折线图上效果不明显。

(a) 地层组合1；(b) 地层组合2；(c) 地层组合3

值得注意的是，在地震作用下，不同地层组合显示出不同的桩后土压力分布类型，如图8所示，可以概化其土压力分布，地层组合1为梯形分布，地层组合2也为梯形分布，地层组合3却近似为三角形分布，分布规律不明显，若要实现微型桩地震作用下的实际设计应用，必须对土压力分布形式作出简化研究，将在下节中详细讨论。

3 滑坡推力分布对微型桩影响分析

上述“八”字形微型桩在不同地层组合条件下的受力模式已经明确，即轴向拉压为主，山体侧桩受力最大。实际工程中，微型桩的设计计算仍以荷载结构模式为主，这就必须解决作用在微型桩上滑坡推力分布形式的问题。

因此，根据上述地层条件和计算模型，依据桩土相互作用力确定地震作用下复合微型桩的滑坡推力并将其等效转换为均布荷载，三角荷载和梯形荷载共3种分布形式。具体数据如表4所示。仅对第4级边坡在滑坡推力作用下作数值分析，如图9所示。图10～12分别代表均布荷载、三角形荷载及梯形荷载下微型桩轴力沿深度分布图；微型桩轴力极值对比如图13所示。

表4 滑坡推力分布类型及大小

图9 施加滑坡推力计算示意图

根据图10~13的结果，可以得出以下结论：

1) 对比图10~12，在不同滑坡推力分布作用下，微桩复合结构的变形模式均向山体外侧弯曲，且当边坡地质条件越软弱，该现象越明显；例如图10所示，任一种滑坡推力分布作用下，地层组合3情况下不论是轴力分布范围还是轴力数值上均为最大。

2) 由前述分析可知，山体侧桩受到轴向拉力且受力最大，故分析图13可知，在滑坡推力作用下，对比构成组合抗滑结构的3排微型桩轴向拉力可知，各工况微型桩轴向拉力极值基本都出现在山体侧桩上；只有地层组合1的情况略有不同，估计是由于滑坡推力值较小，滑面强度较高，边坡未达到极限平衡状态有关；目前边坡设计一般采用极限状态设计，因此可以认为在滑坡推力作用下，山体侧桩受力最大，实际设计时可根据该桩的受力来进行设计。

3) 对于同一地层组合的边坡结构，各滑坡推力分布形式下微型桩的轴力顺序为：推力均匀分布＞梯形分布＞三角形分布。从结构力学理论知识也可判定该结论与之吻合，由于3种荷载分布形式合力一样，合力作用点位置越高，桩身弯矩越大，其轴力值也相应更大。例如地层组合3，均布情况下山体侧桩最大轴向拉力为190 kN/m，三角形分布为150 kN/m，梯形分布为175 kN/m；对于地层组合2，均布情况下山体侧桩最大轴向拉力为126 kN/m，三角形分布为85 kN/m，梯形分布为124 kN/m。推力分布的形式对山体侧微桩的内力影响较大，而对道路侧微桩影响较小，例如地层组合3，3种推力分布形式下，路面侧桩的内力基本无变化。

(a) 均匀分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 均匀分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 均匀分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 地层组合1；(b) 地层组合2；(c) 地层组合3

4 结论

1) 在静力开挖和地震动力作用下，微桩复合结构的受力变形模式均表现为向山外弯曲，且在地震作用情况下轴力数值较大。微型桩轴力极值的出现位置与滑体与滑床的岩层性质有关，滑床岩体越软弱，极值出现位置越深。

2) 在滑坡推力作用下，微型桩的轴力极值基本出现在靠山体侧的微型桩上，当边坡地质条件越软弱，该现象越明显。实际工程可根据山体侧桩的受力来进行设计。

3) 对于具有同一地层组合结构的边坡，不同的滑坡推力分布下，微型桩的轴力大小：推力均匀分布＞梯形分布＞三角形分布。无论滑坡推力分布形式如何，山体侧微型桩轴力变化较大，而路面侧微型桩变化较小。

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Influence of landslide thrust distribution and different stratum on force of micro-pilecomposite structure

HUANG Lin, JIANG Nan, FENG Jun, ZHANG Yufeng, HE Changjiang

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In view of the “eight” shape roof connected micro-pile composite structure, the finite element method was used to study the seismic dynamic characteristics of the graded excavation slope strengthened by the micro-pile composite structure under different strata conditions. The results show that under the most unfavorable conditions, the deformation mode of micro-pile composite structure under static excavation and seismic action tends to bend to the outside of the mountain as a whole, but the axial force of micro-pile under seismic action is larger. The better the rock mass property of sliding bed is, the smaller the axial force of the micro pile is. Under the action of the landslide thrust, the extreme value of the axial force of the micro pile basically appears on the micro pile on the side of the mountain. In practical engineering, the design can be carried out according to the force of that pile. Within the slope with same strata structure, according to the different forms of landslide thrust distribution, the axial force of micro pile is ordered as follows: Uniform distribution > ladder distribution > triangle distribution.

micro-pile composite structure; numerical simulation; different stratums; dynamic characteristics; landslide thrust distribution

TU473

A

1672 − 7029(2020)03 − 0592 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190518

2019−06−12

国家自然科学基金资助项目(51178402)

江南(1978−)，女，河北唐山人，讲师，博士，从事土木工程方面的教学与研究；E−mail：jn2838237@126.com

(编辑 涂鹏)