复合地层下h型抗滑桩的受力特性及桩间距影响研究

姚伟悬

(江西省水务集团有限公司，江西 南昌 330201)

抗滑桩是目前在边坡加固领域应用较广的一种支护措施，其结构受力特性及桩间距选择是影响其支护效果的关键因素。徐文刚等[1]通过有限差分软件研究了结构参数对抗滑桩稳定性的影响。研究结果表明：弹性模量、耦合弹簧切向参数对桩身影响较小，而抗剪强度参数是影响抗滑桩支护效果的重要指标，边坡稳定性与参数取值呈正比。侯小强等[2]基于滑坡推力梯形分布的特点，提出了锯齿形抗滑桩的受力计算方程，对比分析了其力学特性。研究表明：抗滑桩剪力、弯矩与滑面倾角呈正比关系，滑面倾角为40°时，锚固段的理论最小长度为峰值，相比于其他形式抗滑桩，支护稳定性较好。王龙等[3]基于拟动力原理，研究了设置参数对抗滑桩加固边坡的影响。研究结果表明：边坡内基质吸力是影响边坡稳定性的关键因素，当桩间距小于等于4m时抗滑桩设置在边坡中上部时，支护效果最佳。邓友生等[4]采用数值模拟及模型试验的方法，研究了弧形抗滑桩结构参数对支护效果的影响。结果表明：冠梁是影响抗滑桩受力的关键因素，实际工程中应将抗滑桩设置在坡脚处，此时边坡稳定性最高。张海洋等[5]基于Euler-Bernoulli梁理论，提出了新型的抗滑桩受力计算模型，并基于实际工程案例验证了计算过程可控制在数秒内。

总结前人研究可知，目前针对h型抗滑桩的研究相对较少，而考虑其桩间距对边坡加固影响的研究亦较为缺乏。基于此，本文研究以某水库边坡为例，采用Flac3d有限差分软件模拟了不同桩间距对h型抗滑桩支护效果的影响，从剪力、弯矩和位移等多个角度分析了抗滑桩的受力特性。研究结果可为h型抗滑桩的实际应用提供理论依据和参考价值。

1 工程概况

1.1 边坡概况

本文研究以某水库边坡为研究对象，如图1所示，边坡模型尺寸为90m×2m×45m，边坡上层以中风化泥岩为主，下伏弱风化砂岩。泥岩外观为紫红色，岩质较软，易风化剥落和遇水崩解；砂岩多为长石石英砂岩，浅灰、紫红色，中-细粒结构，质稍硬。而边坡中间含有一层厚度约为1m的软弱夹层，岩体风化呈土状。采用Flac 3D进行建模后，模型中共有16458个节点，13458个网格单元，模型底面全约束，左右边界采用法向约束，坡面为自由约束。如图1所示。

图1 边坡示意图

1.2 数值模拟参数取值

为确保文本研究符合实际情况，边坡模型参数设置与实际模型一样，再根据野外地勘资料及室内泥岩、砂岩及软弱夹层的物理力学试验，确定边坡材料参数，边坡的主要物质组成的物理力学参数见表1。

表1 边坡物质组成物理力学参数表

本文研究中，采用截面尺寸(b×h)为1.5m×2m，连梁长度为4m的h型抗滑桩进行支护，前桩以及后桩长度均为18m。抗滑桩容重为2.5×103kg/m3，体积模量为1.45×1010Pa，剪切模量为1.15×1010Pa。h型抗滑桩施工时，前桩与后桩同时施工，桩孔开挖后，随即进行连梁以下部分钢筋绑扎与浇筑，再对连梁与后排桩悬臂段进行支模板、绑扎钢筋、浇筑。

模型中抗滑桩单元与岩土体的接触面的参数是影响边坡稳定的关键因素，本文根据前人研究经验以及Flac3d手册，将抗滑桩与岩土体之间的接触面的黏聚力和摩擦角设置为其附近材料抗剪强度的0.75倍。

2 数值模拟结果分析

2.1 h型抗滑桩支护前后边坡稳定性分析

如图2所示，边坡在天然工况下将出现明显滑面，最大剪应变增量位于滑面底部，即边坡坡脚附近，数值达到0.134，说明边坡贯通面已经生成，需要采取相应的支护措施。图3为采用h型抗滑桩进行支护后的最大剪应变增量图，可以看出，边坡剪应变增量得到有效限制，最大剪应变增量仅为0.075，位于h型抗滑桩附近，表明边坡稳定性得到有效提高，此时边坡处于稳定状态。进一步观察边坡发生最大剪应变的位置可知，h型抗滑桩周围的泥岩剪应变增量最大，说明抗滑桩在支护边坡时，通过抵抗边坡剩余下滑力，集中作用于周围岩体，引起周围岩体产生较大剪应变[6-8]。

图2 天然工况下最大剪应力增量

图3 h型抗滑桩支护后边坡最大剪应变增量

进一步分析天然工况下边坡的位移特性，边坡整体位移如图4所示，边坡的中风化泥岩区域出现较大位移，最大位移点位在边坡坡脚，数值约为180mm，已超过边坡最大允许位移10mm，说明边坡处于不稳定状态。在采用h型抗滑桩进行支护后，边坡整体位移得到有效约束，最大位移仅为3.75mm，说明h型抗滑桩对约束边坡整体位移起着关键作用。需要注意的是，采用抗滑桩支护后，边坡最大位移点位发生了改变，从坡脚转移至坡顶，这是因为抗滑桩在支护边坡的同时，提高了抗滑桩附近岩土体的稳定性，在工程中该现象应引起重视。

图4 天然工况下边坡整体位移

图5 h型抗滑桩支护后边坡整体位移

2.2 h型抗滑桩受力及位移分析

分析支护结构的受力及位移特性有利于研究边坡与结构之间的相互作用关系。如图6所示，h型抗滑桩水平应力范围2.5×104～3.12×105Pa，最大水平应力出现在h型抗滑桩的右上拐角以及左下拐角处，说明抗滑桩在边坡推力的作用下，后桩顶部有发生变形破坏的可能，而抗滑桩其余位置应力均较小，结构处于稳定状态。

图6 h型抗滑桩水平应力

如图7所示，h型抗滑桩水平位移范围在7.5×10-3～3.75×10-2m，整体呈现从抗滑桩底部至顶部位移逐渐增大的趋势，产生这一规律的原因是抗滑桩底部与基岩相嵌，底部受约束应力较大，而抗滑桩顶部抵抗变形能力较差，因此顶部位移最大，应重点监测抗滑桩顶部位移及应力，防止加固措施失效。

图7 h型抗滑桩水平位移

2.3 h型抗滑桩前后桩弯矩分析

由前文研究可知，h型抗滑桩后桩是主要受力段，关注其弯矩沿深度变化规律对工程设计具有重要意义，如图8所示，后桩弯矩趋势图共有3个反弯点，分别位于4.8、5.2、18m深度，其中最大弯矩点位位于18m深度。前桩弯矩如图9所示，其弯矩变化趋势较为简单，仅有一个反弯点，位于12m深度，其上部结构主要受土压力作用，而下部结构主要受拉力作用。

图8 h型抗滑桩后排桩弯矩

图9 h型抗滑桩前排桩水平位移

2.4 桩间距(前后桩)影响下的边坡稳定分析

实际工程中，选用合适的桩间距进行边坡支护既能有效约束边坡滑动，亦能降低工程成本，起低碳环保效果。本研究设置了不同桩间距下的边坡模型，结果见表2，在不采用h型抗滑桩的天然工况下，边坡稳定安全系数仅为1.02，边坡最大总位移达到180mm，最大有效塑形面积为2.01，说明此工况下，边坡处于极不稳定状态，需要采取相应的支护措施进行加固。当采用桩间距为10m的支护方式进行加固后，边坡稳定安全系数达到为1.52，增加了约50%，边坡最大总位移仅为4mm，减小了约97%，小于工程最大允许值10mm，最大有效塑性应变为0.552，减小了约75%，说明采用10m桩间距的h型抗滑桩进行支护能够有效保障边坡安全。

表2 不同桩间距下的边坡的各项指标

尽管桩间距为10m时，边坡处于稳定状态，但不难看出，采用10m桩间距进行支护造成了一定的工程材料浪费。实际上，当采用4m的支护方式进行加固后，边坡稳定安全系数达到为1.31，相较于天然工程增加了约28%，边坡最大总位移仅为4mm，减小了约95%，小于工程最大允许值10mm，最大有效塑性应变为0.73，减小了约64%。综合分析边坡的3项指标来看，采用4m的h型抗滑桩间距时，边坡稳定安全系数得到了明显增大，最大总位移与有效塑性应变均有显著下降，在综合考虑边坡治理效果以及材料成本的条件下，选用4m间距的h型抗滑桩最适用于该边坡。

3 结语

为研究复合地层下h型抗滑桩的支护效果及受力特性，本文以某边坡为例，采用Flac 3D软件模拟抗滑桩的受力特性。得到以下结论：

(1)边坡在天然工况下出现明显滑面，最大剪应变增量位于坡脚附近，采用h型抗滑桩进行支护后，边坡稳定性得到有效提高。

(2)h型抗滑桩水平应力范围2.5×104～3.12×105Pa，最大水平应力出现在h型抗滑桩的右上拐角及左下拐角处。后桩顶部有发生变形破坏的可能，抗滑桩其余位置应力均较小，结构处于稳定状态。水平位移呈现从抗滑桩底部至顶部位移逐渐增大的趋势。应重点监测抗滑桩顶部位移及应力，防止加固措施失效。

(3)综合分析边坡的三项指标，采用4m的h型抗滑桩间距进行支护时，边坡稳定安全系数得到了明显增大，最大总位移与有效塑性应变均有显著下降。