复杂边坡不同桩间距抗滑桩支护效果仿真分析

俞文虎，袁海江

(江阴市青阳水利农机管理服务站，江苏 无锡 214401)

抗滑桩是目前常用的边坡加固措施之一[1]。它具有便于施工、工程量较少、投资费用较低等优点，得到了广泛的应用[2]。一般在边坡滑动面的下方打入抗滑桩，其基本原理为依靠下部的侧向阻力以平衡滑坡的下推力形成稳定层，起到稳定边坡的作用[3]。

近年来，许多专家学者对抗滑桩在边坡工程中的应用进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。在目前的抗滑桩设计中，抗滑桩主要布置在滑坡前缘[4- 5]。在实际工程中确定桩位依靠很强的经验，往往需要考虑安全、适用、经济等多方面因素。曾裕平等[6]采用弹性中心法求解，并发现了桩间距与土体黏聚力等参数相关。张显书等[7]依托某具体边坡工程开展计算，提出了一种充分考虑滑坡体滑坡厚度、结构设计、推力曲线等因素来确定抗滑桩桩位的方法。欧阳辉等[8]提出了一种抗滑桩优化设计方法并结合工程实例运用，此方法验证了优化设计的可靠性；Zhang[9]基于有限元开展了抗滑桩桩位对土、岩质边坡稳定性影响分析。综上所述，目前抗滑桩桩位确定方法主要为剩余推力法，该方法综合考虑了地质条件与施工条件。但对不同岩质边坡条件下方形抗滑桩桩间距的治理效果研究较少，由于边坡岩体的复杂多变等不确定性，边坡采用不同间距抗滑桩支护加固时，会产生不同的支护效果。

基于上述研究背景，本文以有限元法为基础，采用桩单元模拟桩对复杂边坡不同桩间距抗滑桩支护效果进行仿真分析，通过比较分析不同加固位置、不同岩质性质下不同滑动面的加固效果，拟达到优化抗滑桩设计的目的。仿真计算时首先对拱效应进行研究，对桩间拱效应的影响范围不做讨论，之后研究了桩间拱效应的形成特点以及岩土体在桩间产生位移形成拱效应的应力及变形特点。

1 三维几何计算模型

依托江苏省某实际边坡工程，建立5个工作平面，分别为+4、0、-4、-8、-10。抗滑桩为1m×1m的方桩，建立模型长30m、宽10m，斜坡坡高从16m递减到4m。三维数值模拟中岩土层一共采用4个模型参数，为了定性地验证桩间土拱效应的产生，建立了如图1所示的两个三维对应模型，两模型计算参数一致，只是改变了桩的布置。

图1(a)为桩间距为3m的三维模型图：在坡体中部设置一排抗滑桩，桩中心距为3m，桩长为10m，截面尺寸为1m×1m，如图1(a)所示的左侧桩单元立面；图1(a)右侧为三维网格图，整个岩土层分为四层，从上往下分别为粉质黏土、黏土、强风化岩石以及中风化基岩，同时在坡体上部欲加表面推力。本次仿真计算在重力作用及施加推力作用下研究岩土体的变形特征。

图1(b)为桩间距为6m的三维模型图：在坡体中部设置一排抗滑桩，桩中心距设为6m，桩长为10m，截面尺寸为1m×1m，如图1(b)所示的左侧桩单元立面；图1(b)右侧岩层分布与图1(a)右侧岩层分布一致，施加推力位置及大小也一致。本次仿真计算亦是在重力作用及施加推力作用下研究岩土体的变形特征。

图1 桩间距分别为3m、6m的三维模型图

表1 土层材料参数取值表

2 材料计算参数

土层及桩身混凝土材料参数见表1。抗滑桩材料参数见表2。

表2 抗滑桩材料取值参数表

3 仿真计算结果

对于得到的仿真结果，只列举其中总位移变形矢量图和变形云图，根据变形矢量图中箭头的疏密程度、箭头长度及其方向，可以看出岩土体在抗滑桩之间的变形规律和变形趋势；根据变形云图中颜色深度的不同，可以看出岩土体在抗滑桩作用下的变形效果和分布趋势。

图2 桩间距3m的立面位移矢量图

图3 桩间距3m的立面位移云图(单位：10-6m)

图2和图3是桩间中心距为3m的模拟计算结果。由此可以看出：坡体的变形基本发生在第一层粉质黏土及第二层黏土，下面两层岩层变形很小，位于抗滑桩周边表层的变形趋势很明显，矢量图箭头密集；云图颜色较暗，所以位于抗滑桩附近的岩土层变形较大，从上往下看，形变越来越小，坡面的形变最大，岩层底部最小。

图4 桩间距6m的立面位移矢量图

图5 桩间距6m的立面位移云图(单位：10-6m)

图4和图5是桩间中心距为6m的模拟计算结果。通过与桩间中心距3m的模拟结果对比可以看出：二者总体的变形趋势和云图分层现象大体相似，均是在抗滑桩附近的变形较大，坡面变形比坡体下部大。但是经通过比较云图能看出一些差别，主要表现在桩间岩土体的变形特征，为了清晰地比较桩间中心距3m与桩间中心距6m的桩周及桩间变形的差异，从坡体表面观察模拟结果的矢量图及云图。

图6 桩身中心距3m的坡面位移矢量图

图7 桩身中心距3m的坡面位移云图(单位：10-6m)

如图6所示，坡面上桩周、桩间的位移矢量箭头方向均以中间桩对称向里指示，同时根据图7可以看出，虽然抗滑桩因施加推力及岩土的重力作发生变形，但是桩间岩土体没有脱离抗滑桩的控制，岩土体的位移跟随抗滑桩变化而变化，从云图可以看出抗滑桩周边土体位移最大，桩间位移反而较小，说明桩间位移拱效应发生作用，防止了桩间土体发生较大的变形。所以桩径为1m、桩间中心距为3m的抗滑桩设计对滑坡体的治理效果较理想，拱效应的存在提升了抗滑桩在滑坡治理中的地位和作用。桩间中心距为6m的坡面位移矢量图及云图如图8及图9所示。

图8 桩身中心距6m的坡面位移矢量图

图9 桩身中心距6m的坡面位移云图(单位：10-6m)

通过比较两种不同桩间距方案的位移矢量图，桩间距为3m的位移矢量箭头是对称向里，而桩间距为6m的位移矢量箭头是对称向外，最大的区别是桩间距为6m的方案的桩间岩土体位移矢量大小比其他区域大，说明桩间距为6m的桩间岩土体发生较大的变形，此方案设计的抗滑桩作用范围较小，未能充分发挥土的拱效应，桩间岩土体存在继续向下滑动的可能，治理效果较差。通过对比两种不同桩间距方案的变形云图，桩间距为3m的方案的桩间岩土体随着抗滑桩的变形而发生变化，而桩间距为6m的方案桩间位移明显存在于变形效果不明显的中间区域，说明抗滑桩对此区域无影响，亦说明了桩间没有形成土拱效应。

4 结语

通过此次仿真计算得出桩间距的设计是抗滑桩治理滑坡的参考。在抗滑桩设计中，桩间距既不能过大亦不能过小；桩间距过大，则治理效果较差，拱效应作用微弱；桩间距过小，则施工困难，费用增加，对原状坡体的扰动增大，所以合适的桩间距一直是抗滑桩的研究热点，在工程设计中一般按照规范以及工程实际取一个合适的值，其治理效果基本可以满足设计要求。