水库边坡抗滑桩内力分布规律影响因素分析

李小平

(婺源县水利局,江西 婺源 333200)

0 前 言

滑坡灾害是全球范围内广泛发育的地质灾害，由于其规模大、分布广泛和危害性大的特点，易造成较大的社会影响。通常，滑坡常见的防治措施包括截排水沟、抗滑桩、格构锚索以及挡墙等。其中抗滑桩由于施工简单，治理效果优越而被广泛使用。国内外许多学者针对抗滑桩的受力性能及治理效果展开了深入研究。邓友生等[1]基于室内3组物理模型试验研究了拱形抗滑结构的受力性能，结果表明，拱形抗滑结构对桩顶水平位移有较好的约束作用，同时还可改善桩身受力状态。黄良誉等[2]基于物理模型试验研究了埋入式抗滑桩锚拉植筋带固坡效果，结果表明，埋入式抗滑桩联合植筋带联合透水挡墙加固边坡的效果最佳。罗爽等[3]基于Winkle弹性地基梁模型，推导了浸泡蠕变对悬臂抗滑桩受荷劣化特性，结果表明，受库水长期浸泡作用的土质滑坡在采用抗滑支挡结构处理时应考虑库水浸泡导致的滑坡体蠕变作用。任海民和冯伟剑[4]采用理论推导，提出了复合单元抗滑桩模型，模型可有效模拟抗滑桩的力学性能。任翔等[5]采用有限元模型研究了抗滑桩嵌固段桩前被动土拱形成机理，结果表明，桩间距为桩宽的2.5～4.5倍时出现被动土拱，3～4倍时土拱效应最明显，桩前被动土拱增加了相邻抗滑桩间相互作用范围。邓涛等[6]基于堆载试验研究了深厚软土中抗滑桩的修正悬臂桩计算方法，结果表明，提出的修正方法可以合理计算抗滑桩的内力及桩顶位移。董建华等[7]基于达朗贝尔原理，推导了预应力锚索抗滑桩动力计算模型，结果表明，桩身分布的剪力和弯矩呈“上下小、中间大”，弯矩最大值出现在滑面附近，剪力最大值在滑面位置。解瑞松等[8]基于现场监测数据和有限元数值模拟研究了抗滑桩对边坡桥梁桩基受力变形的影响，结果表明，当桥梁桩基在坡体中上部时，易导致桥梁桩基前部土体形成牵引式滑坡。苏培东等[9]基于物理模型试验研究了不同截面抗滑桩的土拱效应，结果表明，梯形截面桩对土拱效应的形成与发展更有利，对边坡的加固效果最优。王立超和曹雪娇[10]基于ABAQUS数值模拟研究了抗滑桩加固边坡效果，结果表明，抗滑桩布置于边坡中间时比布置于坡顶和坡脚对提升边坡的稳定性更明显。

本文采用数值模拟方法，以水库边坡工程为例，考虑抗滑桩桩前土体抗力，分析抗滑桩内力分布特征，为类似工程提供参考。

1 工程概况与数值模型

1.1 工程概况

研究区位于江西某水库右岸边坡。边坡最大开挖深度为46 m，边坡分五级开挖，每级开挖坡比均为1∶1。开挖过程中坡体出现裂缝，最大裂缝约10 cm，最大延伸长度为3 m。边坡的典型断面如图1所示。

图1 边坡典型剖面

根据钻孔资料，边坡土层由上至下分别为：

(1)碎石土

颜色呈褐色，稍密-中密状态，主要成分为灰岩。

(2)强风化灰岩

岩体破碎，裂隙发育，局部成碎石夹碎块状。

(3)玄武岩

颜色呈灰绿色，风化强烈。

1.2 数值模型

ABAQUS是一款通用型商业软件，软件内嵌了丰富的材料本构模型，可高效的模拟各种非线性问题。本文采用ABAQUS进行建模与分析，根据典型地质剖面建立计算模型如图2所示。岩土体及桩的材料力学参数见表1所示，其中土体采用摩尔-库伦本构进行计算，抗滑桩采用各向同性完全弹性本构进行计算。模型尺寸分别为40 m×28 m×20 m(长×宽×高)，坡度为45°，抗滑桩截面尺寸为2.5 m×2.5 m，桩心距为6 m，桩长为14 m。

图2 数值模型

表1 材料物理力学参数建议值

模型边界条件为：底部为全固定约束；左右前后边界为约束水平方向位移；顶部为自由边界。桩身与土体采用嵌入接触模拟。实体单元采用C3D8R单元进行网格划分与计算[11]。

2 计算结果分析

2.1 抗滑桩剪力与弯矩

图3汇总得到抗滑桩剪力随桩长变化规律。结果表明，考虑桩前土体抗力和不考虑桩前土体抗力的桩身剪力分布形态基本一致。在滑面以上剪力随桩长增大而增大，但滑面以下剪力随桩长增大而显著改变。桩底附近处剪力达到最小值。剪力最大值在11.7 m位置处，最大值为5 400 kN。但考虑桩前土体抗力时，剪力最大值为4 300 kN。

图3 抗滑桩剪力随桩长变化

图4汇总得到抗滑桩弯矩随桩长变化规律。结果表明，考虑桩前土体抗力和不考虑桩前土体抗力的桩身弯矩分布形态基本一致。弯矩随抗滑桩的增大而先增大后减小，在桩底处弯矩降低至0。这也证明，桩体始终处于受拉状态。此外，考虑桩前土体抗力和不考虑桩前土体抗力两种情况下，抗滑桩弯矩峰值在8.0 m位置处，分别为24 365 kN·m和21 100 kN·m。

图4 抗滑桩弯矩随桩长变化

根据以上分析可知，考虑考虑桩前土体抗力时，抗滑桩的内力值比不考虑桩前土体抗力要小。因此在实际工程中，适当考虑桩前土体抗力可以节约材料。

2.2 抗滑桩横向位移

图5汇总得到桩前土体抗力对抗滑桩横向位移的影响。结果表明，桩前土体被挖除后，桩的横向位移迅速变大，尤其是桩顶部位。此外，桩的位移随桩长的增大而减小，桩底位置处，桩身位移基本为0。

图5 桩前土体抗力对抗滑桩横向位移的影响

根据图5(a)和图5(b)的对比分析可知，在考虑和不考虑桩土体抗力作用下，桩顶位移分别为6 mm和0.06 mm。由此可见，是否考虑桩前土体抗力对抗滑桩的内力和位移有较大的影响，工程应用中应适当进行修正。

2.3 桩前土体抗力影响因素

既有研究表明[12]，其他条件相同时，桩前土体坡度大，坡体稳定性差；坡度相同时，桩前土强度大，其稳态状态好。为了进一步分析桩前土体坡度对桩前土体抗力的影响。本文计算了土体坡度分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°和90°时，土体不同抗剪强度下，桩的抗力和土体抗力随桩长的变化规律，汇总得到桩提供抗力随桩深变化(见图6)和土体抗力随桩深变化(见图7)。结果表明，桩提供的抗力随桩长度的增大而增大；同一深度下，桩前土体的坡度越大，抗力越大。此外，当土体深度小于4 m时，抗力与深度呈抛物线规律分布；当桩深大于4 m时，抗力与桩深呈线性增长分布规律。

图6 桩抗力与桩深变化曲线

图7表明，土体抗力随桩长的增大而呈抛物线增大，与桩提供的抗力相比，当桩深较大时，土体抗力随着桩深增加的范围较小。

图7 土体抗力与桩深变化曲线

图8～11汇总得到了不同工况下，桩前水平抗力平均值与最大值以及与其相对应的水平抗力平均值与最大值发挥情况。结果表明，土体强度参数保持不变的条件下，桩前土体抗力随坡度的增大而减小。此外，当坡度大于40°时，水平抗力发挥的水平处于较低范围内。综合以上分析表明，当桩前土体的坡度大于40°时，可忽略桩前土体抗力的阻滑作用；当桩前土体的坡度小于40°时。应充分考虑桩前土体抗力的有利影响。适当节约工程造价。

图8 桩前水平抗力平均值

图9 桩前水平抗力平均发挥值

图10 桩前水平抗力极大值

图11 桩前水平抗力极大发挥值

3 结 论

本文采用ABAQUS数值有限元手段研究了不同工况下抗滑桩的加固效果，详细分析了考虑桩前土体抗力和不考虑桩前土体抗力两种工况下对抗滑桩内力分布的影响，形成结论如下：

(1)考虑桩前土体抗力时，桩顶位移比不考虑桩前土体抗力显著减小，而弯矩和剪力最大值明显增大。

(2)保持桩前土体强度参数不变的情况下，桩顶位移随坡度增大而增大；保持土体坡度不变，桩前土体抗力随随土体强度增大而增大；

(3)当桩前土体超过40°时，实际抗滑桩的设计与计算中可不考虑土体抗力，当桩前土体坡度小于40°时，土体抗力明显，可对抗滑桩进行优化设计。