基于GEO5有限元模块的抗滑桩优化设计

张 伟，余祥银，孙春辉

（1.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250031；2.昭通市高速公路建设办公室，云南 昭通 657000；3.山东高速城乡发展集团有限公司，山东 济南 250031）

引言

因粤北地区构造发育、煤系地层分布广泛，岩层分布无规律可循，坡体多呈现蠕动变形，常见的锚固措施如锚杆、锚索等难以根治坡体变形，近年来抗滑桩作为主要的治理煤系地层边坡的措施被广泛应用，舒海明等［1］在某煤系地层边坡中采用桩径2.2 m 圆形抗滑桩对滑坡进行治理，效果较理想；计算软件及方法也较多研究，杜兴无等［2］采用ANSYS 有限元模型对门式抗滑桩进行分析计算；孙勇［3］将公路桥梁多排桩计算的结构力学方法引入到双排抗滑桩计算中，并提出了修正后的m法，同时采用有限杆单元法对双排桩的连梁刚度进行了分析。

粤北地区常年多雨，由于煤系地层具有雨水塌孔等不利因素，人工挖孔抗滑桩存在较大安全隐患且效率较低，旋挖钻机圆形抗滑桩由于机械施工方便、快捷，在治理粤北煤系地层滑坡中广泛应用，但是对于大中型滑坡由于滑坡推力较大，单排桩往往需要大桩径、双排甚至多排配筋才能满足抗滑要求。

1 滑坡岩土体特征及剩余下滑力计算

在建龙怀高速K132 滑坡在地质条件、剩余下滑力相同的条件下分别对单排直径2.6 m 抗滑桩、双排桩顶有和无系梁直径2.0 m 抗滑桩进行侧向位移及内力分计算，分析比对三种桩型的优缺点，结合现场实际情况采用最优桩型组合对该边坡进行处置。

滑体为含碎石粉质黏土、全风化泥质砂岩（含高岭石泥岩）及全风化炭质页岩；滑床为强-中风化炭质灰岩夹全风化炭质页岩；滑动面上部切割含碎石粉质黏土、全风化泥质砂岩层，中部切割全风化泥质砂岩（含高岭石泥岩）软弱面及全风化炭质页岩层面，下部沿全风化泥质砂岩与中风化炭质灰岩层面滑动。根据钻孔中强风化碳质灰岩雨水容易沿裂隙面开裂，强度降低，岩层互层现象。

根据深孔测斜数据拟定滑面，按照现状边坡安全系数Fs=1.1 进行抗剪强度指标反算：黏聚力 c=16 kPa、内摩擦角φ=15°，边坡按照设计断面卸载后稳定安全系数Fs=1.2 时，剩余下滑力为1 000 kN。

2 GEO 有限元分析模型

计算采用库伦GEO5 2017 版岩土工程有限元分析模块模拟双排桩内力及位移变形，双排桩计算模型见图1。

图1 双排桩计算模型

2.1 基本假设

（1）按照平面应变建立有限元模型，选用全牛顿-拉普森迭代方法，每进行一次平衡迭代修改刚度矩阵一次。边界条件为左右两侧水平约束，下部固定，上部为自由边界。边界范围对有限元计算精度影响较大，模型范围：坡脚到左侧边界的距离为坡高的1.5 倍，坡顶到右端边界的距离为坡高的2.5倍，上下边界总高度不低于2 倍坡高。模型长度为125 m，高度60 m，厚度15 m，见图2。

图2 有限元网格

（2）后排桩后始终作用主动土压力。桩间土和前排桩被动区的土采用弹簧模拟；整个结构是一个门型钢架结构；被动区土体的反力不能大于被动土压力。

（3）用梁单元模拟抗滑桩，抗滑桩与系梁的连接均为刚性节点，可以协调前后排桩的变形并传递弯矩及剪力，并根据之前SLOPE 软件计算的剩余下滑力换算成梁荷载均匀并垂直加至后排桩（梁）上，桩后土体竖向应力等效成荷载加至桩后土体上，进行初始地应力分析，见图3。

图3 进行初始地应力分析

2.2 材料参数

抗滑桩及桩顶系梁为C30 钢筋混凝土结构，滑体主要有全风化泥质砂岩（含高岭土成分较高），滑床为中强风风化泥质砂岩及炭质页岩互层，部分钻孔见空洞，岩性复杂。有限元分析时，抗滑桩、桩顶系梁、滑床岩土体为线弹性材料，仅需考虑弹性模量、泊松比、重度，桩和岩土体相关材料参数见表1。

表1 材料物理力学参数

3 数值模拟结果对比分析

在下滑力及相关参数不变的情况下，分别建立直径2.6 单排抗滑桩、双排直径2 m 有桩顶系梁抗滑桩和双排直径2 m 无桩顶系梁抗滑桩三种有限元模型，并对比三种模型抗滑桩内力及位移分布的异同。抗滑桩模型参数及受力参数见表2、表3。

表2 模型相关参数

表3 抗滑桩受力相关参数

3.1 三种模型弯矩分布及分析

三种不同抗滑桩桩身弯矩布设，见图4～图6。

图4 单排抗滑桩弯矩

图5 双排桩顶无系梁抗 滑桩弯矩

图6 双排桩顶有系梁抗滑桩弯矩

可以看出，图4、图5 最大弯矩位于位于滑面以下，图6 最大弯矩位于桩顶，这是由于桩顶系的设置与抗滑桩组成了超静定钢架结构，连接处形成反弯矩，与前两种类型相比，桩顶加系梁抗滑桩滑面以下最大弯矩大幅度减少，并且前、后排桩受力均匀，分布较协调，抗滑桩弯矩对比见表4。

表4 抗滑桩弯矩对比

3.2 三种模型剪力分布及分析

三种不同抗滑桩桩身剪力布设见图7～图9，最大剪力均位于滑面处，双排抗滑桩与单排桩相比滑面处最大剪力明显较少，桩顶加系梁抗滑桩最大弯矩与无系梁相比变化不大，但是桩顶剪力有所增大，桩底剪力大幅减小，并且前、后排桩受力均匀，分布较协调，剪力对比见表5。

表5 抗滑桩剪力对比

图7 单排抗滑桩剪力

图8 双排桩顶无系梁抗 滑桩剪力

图9 双排桩顶有系梁抗 滑桩剪力

3.3 三种模型位移分析

单排桩桩顶位移明显大于双排桩桩顶位移量，但是双排加系梁抗滑桩由于桩顶系梁的设置，整体刚度增大，整体性较双排不加系梁更好，位移量最小且前后排桩桩顶位移趋于一直，变形更协调，桩顶位移见表6。

表6 抗滑桩位移对比

3.4 双排桩其他优点比较

双排抗滑桩由于弯矩较单排桩大幅减少，虽然混凝土方量每延米增加0.97 m3，但是弯矩可减少近5 000 kN·m，同等地质钻孔条件下，可大幅减少造价，更经济合理。

由于前后排桩弯矩、剪力相差不大，便于工程设计时采用同样类型的桩基配筋，避免增加不必要的工序。而由于坡体下滑力较大，单排抗滑桩经常需配置双层钢筋才能满足抗拉要求，且单排桩须采用大吨位旋挖钻机，煤系地层边坡易塌孔，对场地范围要求较高。

4 结语

（1）三种形式抗滑桩均能治理滑坡体，但是双排抗滑桩抵抗力大、桩顶位移小而均匀，较单根大直径抗滑桩和双排无系梁抗滑桩节相比具有造价低、便于施工等优点。（2）传统计算方法m、k 法中地基系数的取值对抗滑桩内力位移计算影响较大，因粤北地区构造发育，地质条件发杂，常见岩性互层现象，对地基系数的选择靠经验值选择较多，而GEO5 有限元模块仅对弹性模量和泊松比取值要求，对边界条件荷载条件、地层条件处理较简单，事实证明采用该软件进行抗滑桩的内力、位移计算是可行的。（3）综合考虑双排桩顶加系梁抗滑桩的内力、位移变形特点以及经济、施工因素，在大中型复杂煤系地层边坡中建议采用双排桩顶加系梁的抗滑桩形式。