两种桩型治理滑坡的数值模拟比选研究

孔繁慧，徐群利，侯付闯

（1.陕西恒业建设集团有限公司,陕西 西安 710000；2.陕西中凯恒瑞工程项目管理有限公司,陕西 西安 710000）

1 前言

双排桩和H型抗滑桩多应用于边坡加固中,对此学者们也进行了大量的研究,董薇等[1]利用ABAQUS对不同排距条件下的双排桩结构进行了研究,研究结果表明：排距越大,双排桩支护条件下结构整体稳定性下降。崔康等[2]通过MIDAS对双排桩的抗震作用进行了研究,研究结果表明：比较于单桩,双排桩的抗震效果更佳。詹智麒等[3]通过PLAXIS 3D对双排桩支护结构进行了研究,研究结果表明：后排桩承受的力较大,应当加强后排桩的刚度。刘飞军等[4]利用双排桩进行高陡边坡的抢险,并对双排桩的布置方法和施工方法进行了详细的介绍。张建文等[5]利用数值模拟软件,对不同位置布置双排桩进行了研究,研究结果表明：后排桩产生较大的变形,此变形会导致桥基上承受较大的荷载。李兵等[6]研究圆截面H型抗滑桩的受力特点,研究结果表明：横梁的连接使得H型抗滑桩的抗弯刚度提高较大。胡世敬等[7]对H形抗滑桩所受的滑坡推力进行了研究,研究结果表明：H型抗滑桩所受的滑坡推力分布较单桩更为合理。于航等[8]对H型抗滑桩结构内力计算方法进行了研究,研究结果表明：H型抗滑桩治理大中型滑坡时效果最理想。彭丰等[9]利用数值模拟软件,对H型抗滑桩的加固效果进行了研究,研究结果表明：H型抗滑桩的桩排距越大,桩长越长,则阻滑能力越强。杨为品[10]对H型抗滑桩和单桩进行了比选,比选结果表明：对于大型滑坡,H型抗滑桩的阻滑效果明显高于单桩。

以上的研究中大多基于双排桩与单桩的比选,或者是H型抗滑桩与单桩的比选,暂没有双排桩与H型抗滑桩的比选,对此本文通过一实际滑坡,在坡脚处布置双排桩与H型抗滑桩,分别对两种桩进行比选,从位移和受力方面进行深入研究。

2 工程概况

该边坡位于陕西省宝鸡市,滑坡从上自下主要由风化土、风化岩和软岩组成（图1）,边坡的物理力学性质见表1。

表1 岩土体物理力学参数

经地质勘察可知滑坡的潜在滑动面见图1,利用瑞点条分法对剩余下滑力进行计算,计算结果见表2。

图1 边坡平面图

表2 自然工况下的剩余下滑力

利用瑞点条分法进行计算时可知,从第8个条块处,此区域已处于抗滑区域,但是抗滑效果不明显,因为滑坡推力减小程度不高,计算出的滑坡推力最终为2978.7 kN/m,根据此滑坡推力可知,此滑坡推力为中型滑坡,由工程经验可知,一般单桩达不到治理滑坡失稳的目的,选择两种桩进行治理,分别为双排桩和H型抗滑桩。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

数值模拟采用MIDAS GTS进行,因主要考虑的是双排桩与H型抗滑桩的支护效果,因此仅须建立二维边坡模型,忽略土拱效应的影响。

如图2 所示,滑坡采用两种支护方式,分别为双排桩与H型抗滑桩。

图2 两种不同的支护

结合数值模拟的经验可知,风化土和风化岩区域宜采用莫尔库仑准则,软岩、双排桩和H型抗滑宜采用弹性准则。为保证两种支护方式具有可对比性,双排桩与H型抗滑桩前排桩的长度×宽度×高度为2 m×3 m×30 m,后排桩的长度×宽度×高度为2 m×3 m×24 m,H型抗滑桩的横梁长度为6 m。

桩单元采用C30砼,采用的是弹性准则进行模拟,重度为32.4 kN/m3,体积模量为4.26×107kN/m3,剪切模量为3.84×107kN/m3,泊松比为0.21。

3.2 位移和受力

数值模拟计算至滑坡稳定时结束,滑坡的总体位移见图3。

图3 不同类型桩支护下边坡的总位移

由图3（a）可知,双排桩支护下滑坡的总位移主要发生在风化土区域,坡脚处的总位移为7.98 mm,最大总位移为9.59 mm,接近5%岩土体的位移超过6 mm,绝大多数岩土体的水平总位移不超过10 mm,以上的位移均不超过20 mm,说明双排桩支护条件下,边坡的总位移是满足工程要求的。

由图3（b）可知,H型抗滑桩支护下边坡的总位移同样主要发生在风化土区域,坡脚处的总位移为4.18 mm,最大水平位移为6.87 mm,接近4%岩土体的位移接近6 mm,绝大多数岩土体的总位移不超过6 mm,以上的位移均不超过20 mm,说明H型抗滑桩支护条件下,边坡的总体位移是满足工程要求的。

由图3可知,H型抗滑桩的整体总位移均较双排桩小,说明在控制总位移方面,H型抗滑桩明显优于双排桩。

双排桩与H型抗滑桩的受力分别见图4。

图4 两种不同类型桩所受的轴力

由图4（a）可知,双排桩所受的轴力前排桩最大为1.4×104kN,超过8.3×103kN的轴力主要集中于距桩顶1/3以下部位。

由图4（b）可知,H型抗滑桩超过50%所受的轴力数量集中于1.5×104kN,轴力分布较为均匀。

由图4可知,双排桩所受的轴力分布不均匀,受力呈现上部小,下部大的趋势,但是所受轴力值均较H型抗滑桩小。H型抗滑桩所受轴力普遍均较双排桩大,但是所受轴力数量级相差不大,分布也较均匀。双排桩与H型抗滑桩所受的轴力均不超过材料所受轴力的极限值,均在可控制的范围内。

4 结论

本文结合一实际滑坡,采用双排桩和H型抗滑桩进行支护,分别从滑坡岩土体总体位移和桩所轴力进行研究,研究结论如下：

（1）双排桩和H型抗滑桩支护下滑坡的总体位移最大分别为9.59 mm和6.87 mm,两者均在可控的范围内,均不超过20 mm,说明两者在控制滑坡总体位移方面是满足工程要求的。

（2）双排桩和H型抗滑桩所受的轴力最大值分别为1.4×104kN和1.5×104kN,双排桩所受轴力整体小于H型抗滑桩,但是双排桩所受轴力分布不均匀,H型抗滑桩所受轴力分布较为均匀,两者数量均不超过桩体所受的最大极限值,均在工程允许的范围内。

（3）双排桩和H型抗滑桩从滑坡总体位移和桩体所受轴力进行比选,应当考虑双排桩,因为总体位移均在可控范围内,所受轴力明显小于H型抗滑桩,选择双排桩更能保证滑坡整体的安全性。

（4）以上的研究仅从滑坡岩土体总体位移和桩体所受轴力方面进行考虑,没有考虑支护安全系数、施工造价和难度,以上的方面有待进一步深入研究。