双排桩治理边坡的数值模拟研究

常 强

(山西泽城西安水电有限公司，太原 032600)

0 前 言

随着国家基础建设的不断加剧，越来越多的工程采用双排桩进行支护，对此学者们也进行了研究，张昌太等结合一实际基坑工程，提出遇到硬岩后可适当将微型桩向下接长的方式，以此提高工程的安全性，达到控制变形的目的[1]。杨仲洪等利用Plaxis 3D对淤泥质软土条件下的双排桩工程进行了研究，研究结果表明：增大桩长可控制基坑的形变。张松波等结合武汉一基坑工程，提出了无支撑双排桩的设计理念，并通过数值模拟和现场监测对双排桩的支护效果进行了评价，研究结果表明：施工过程中旋挖钻机施工角度采用15°倾角，更利于双排桩的施工[2-3]。王宏明等以高填方边坡为例，对双排桩加固治理效果进行了研究，研究结果表明：增加冠梁和钢架梁的面积，可达到提高支护措施安全系数的目的[4]。谭恒结合双排桩工程，提出了桩锚相结合的支护形式，并对此支护形式进行了计算，计算结果表明：桩锚支护形式能够更好的起到支护的效果[5]。黎子荣认为比较于悬臂支护结构，双排桩结构具有更好的刚性和抗弯性能，并通过实际工程案例阐述了双排桩的计算模型及其优点[6]。欧孝夺等以南宁某深基坑为研究对象，利用数值模拟对双排桩的支护效果进行了研究，研究结果表明：基坑的深度对双排桩的支护效果有较大的影响[7]。郑刚等以某基坑工程为例，对双排桩抗倾覆效果进行了研究，研究结果表明：倾覆区主要发生在超挖区域，冠梁并不能阻止基坑的倾覆[8]。吴越等对拱形双排桩的支护形式进行了研究，并结合土拱效应对双排桩的支护效果进行了评价，研究结果表明：双排桩结构能够有效的减小桩顶水平位移[9]。徐量以泵闸工程为例，对双排桩的设计方案进行了研究，研究结果表明：双排桩在水利工程中的支护效果较单排桩佳[10]。

以上的研究多关注双排桩的设计方案，没有对双排桩支护边坡的效果进行评价，对此文章采用双排桩支护结构，利用数值模拟对双排桩的支护效果进行研究。

1 工程概况

该边坡位于山西省内，该边坡坡脚处在长期降雨的作用下出现了裂缝，结合剩余下滑力的计算可知，单桩不能抵抗边坡推力的作用，经设计人员计算采用双排桩进行支护，文章暂不考虑土拱效应。

边坡的岩土体如图1所示，经过地勘察可知，边坡主要由风化土、风化岩和硬岩组成，岩土体的物理力学参数如表1所示。

图1 边坡的岩土体示意

2 数值模拟

2.1 模型的建立

数值模拟的建立如图2所示，为保证计算的有效性，将风化土和风化岩按照1m进行网格划分，硬岩区域结合模拟经验按照2.5m进行网格划分，同时网格之间相互进行耦合，在坡脚处设置双排桩，为方便对双排桩进行研究，将前排桩命名为1号桩，后排桩命名为2号桩.。

图2 数值模拟支护实体图

2.2 模拟的结果

2.2.1 位移分析

数值模拟计算至平衡时停止，边坡的水平位移和总体位移如图3和图4所示。

如图3所示，边坡水平位移主要集中于风化土区域，最大的水平位移数值为7.6mm，所占岩土体约2.4%，75%的岩土体水平位移不超过5mm，边坡超过50%的岩土体位移约为3.4mm，以上位移均不超过10mm，满足边坡工程的要求，因此可认为双排桩支护在水平位移方面是满足工程要求的。

图3 支护后边坡的水平位移(单位：m)

图4 支护后边坡的总体位移(单位：m)

如图4所示，边坡总体位移主要集中于风化土区域，最大的总体位移数值为8.4mm，所占岩土体约2.1%，72%的岩土体总体位移不超过6mm，边坡超过52%的岩土体总体位移约为4.6mm，以上总体位移均不超过10mm，满足边坡工程的要求，因此可认为双排桩支护在总体位移方面是满足工程要求的。

2.2.2 受力分析

双排桩所受的弯矩如图5和图6所示。

图5 Y轴弯矩值(单位：kN·m)

由图5可知，Y轴的弯矩最大处位于1号桩距桩顶1/5处，此处弯矩的最大值为3.1e5 kN·m，超过2.0e5 kN·m弯矩值的区域约占整个双排桩的5%，结合双排桩所能承受的最大弯矩值2.5e6kN·m可知，1号桩所受的弯矩远小于双排桩所能承受的极限弯矩，可确定双排桩Y轴弯矩值是满足工程要求的。双排桩超过75%的弯矩值约为5.2 e4 kN·m，多分布于1号桩下侧和2号桩整个区域，说明双排桩的受力是均匀的。

图6 总体弯矩值(单位：kN·m)

由图6可知，总体弯矩最大处位于1号桩距桩顶1/6处，此处总体弯矩的最大值为3.4e5 kN·m，超过2.2e5 kN·m弯矩值的区域约占整个双排桩的6%，结合双排桩所能承受的最大弯矩值2.5 e6 kN·m可知，1号桩所受的总体弯矩远小于双排桩所能承受的极限弯矩，可确定双排桩总体弯矩值是满足工程要求的。双排桩超过77%的弯矩值约为5.6 e4 kN·m，多分布于1号桩下侧和2号桩整个区域，说明双排桩的受力是均匀的。

2.2.3 塑性区和安全性分析

边坡的塑性区和剪应力区如图7-图9所示。

图7 支护完成后边坡的塑性区

由图7可知，边坡的塑性区主要在风化土区域，且并没有贯通，说明支护后边坡风化土区域并未形成封闭的塑性区，可认为双排桩的施加，致使边坡不会发生进一步滑动，边坡的稳定性得到了保证。

图8 支护完成后边坡的剪应力区

对边坡进行拆减系数的分析，如图8所示，边坡的滑动面并没有贯通，安全系数为1.40，此安全系数刚好满足工程要求。另一方面滑动面底端穿过双排桩顶部，一定程度上说明双排桩的设置位置可适当往上调整，以保证双排桩更好的发挥阻滑作用。

图9 边坡的潜在滑动面

利用MIDAS GTS进一步搜索滑动面可知，贯通后的滑动面影响主要位于风化土区域，与边坡的塑性区域相对应，坡脚处剪应力较集中，说明坡脚处是防护的重点，再结合数值模拟双排桩的位置，提出适当调整双排桩位置的建议。

3 结 论

通过计算边坡的剩余下滑力可知，单桩是无法满足边坡稳定性的要求，因此采用双排桩对边坡进行加固，并通过数值模拟对边坡加固的效果进行评价，数值模拟的结果表明：

1)边坡的水平位移和总体位移位置较为接近，主要集中于风化土区域，说明风化土区域是边坡防治的重点，水平位移和总体位移数值均不超过10mm，满足边坡的位移要求，从位移的角度出发，可认为双排桩的施加是满足工程防护的要求。

2)双排桩从弯矩的角度上分析，Y轴所受的弯矩和总体所受的弯矩，主要集中于1号桩上部，双排桩其他区域的弯矩较为均匀，一定程度上说明双排桩并没有发挥完全抗弯功能，可进一步调整双排桩位置，以发挥双排桩的抗弯功能。

3)支护后的边坡从塑性区和剪应力区域分析可知，塑性区和剪应力区主要集中于风化土区域，两者影响范围较为对应，安全性系数为1.40，从支护的角度上分析，双排桩确实是起到了支护的目的。

4)进一步搜索边坡的滑动面可知，滑动面底部仅接触到双排桩，说明双排桩的位置可以适当往坡体方向调整，以便更好的发挥双排桩的阻滑功能，并提高边坡的安全系数。