抗滑桩在水利工程边坡支护中的应用分析

杨 奎

(黔西南州兴源水利电力勘察设计有限公司,贵州 兴义 562400)

1 概 述

h形抗滑桩是一种防止土体滑动的支护结构,具有较强的抗震、抗侧移能力且适用性较广的特点。目前,随着城市化进程加快,基础设施建设需求增加,h形抗滑桩在水利、市政等领域得到广泛应用。

本文结合水利工程中的边坡治理工程,利用有限元软件MIDAS GTS,建立不同连梁刚度h形抗滑桩支护边坡的模型,对连梁刚度对h形抗滑桩桩身位移、内力以及边坡治理效果进行分析。

2 工程概况

边坡工程位于贵州省兴义市,边坡涉及的主要岩土体类型分别为风化土、风化岩、软岩,各种岩土体层厚差异明显。其中,风化岩层厚最大,为18.9～40.3m;其次为软岩,层厚为9.07～35.8m;风化土层厚最小,为2.82～18.9m。3种主要岩土体均为全场地分布,边坡岩土体与抗滑桩物理力学参数见表1。

表1 边坡岩土体与抗滑桩物理力学参数

根据现场勘测结果,采用h形抗滑桩对该实例边坡进行支护。h形抗滑桩前后排桩的截面尺寸均为宽×高=2m×4m,前后排桩间净距为8m,连梁顶面在竖直方向上距后排桩桩顶8m,前排桩桩长为22m,后排桩桩长为30m。

h形抗滑桩所采用的钢筋等级为HRB400,采用的混凝土强度等级为C30,成孔方式为机械成孔。连梁刚度计算公式为EI=Ebh3/12,在实际工程中,弹性模量E保持不变,且为便于施工连梁截面宽度b也保持不变,通过改变连梁截面高度h实现连梁刚度的改变。

本文设连梁截面尺寸b×h=2m×4m时,连梁刚度为EI,此时连梁截面尺寸与桩身截面尺寸相同。通过改变连梁截面高度,设置5种连梁刚度,分别为0.5EI、EI、1.5EI、2EI、2.5EI。

3 有限元模型

该边坡有限元模型采用岩土领域软件MIDAS GTS进行建立,模型左高35m、右高85m、长150m,边坡有限元模型见图1。边坡岩土体属性类型均为2D,子类型为平面应变;h形抗滑桩属性类型为1D,子类型为梁单元。h形抗滑桩前后排桩与连梁之间的连接均为刚接,既能传递剪力,也能传递弯矩。在进行网格划分时,对不同岩土体类型采用不同的网格基本尺寸。其中,风化土与风化岩的基本尺寸为2m;软岩基本尺寸为4m。为了保证模型不同材料之间受力的连续性与均匀性,在不同材料接触处,共用有限元节点。在模型左右边界以及下边界施加约束,随后施加重力荷载,并分别设置h形抗滑桩连梁刚度为0.5EI、EI、1.5EI、2EI、2.5EI的边坡稳定分析工况。

图1 边坡有限元模型

4 数值模拟分析

在其他因素相同的条件下,分别对不同连梁刚度的h形抗滑桩支护边坡模型进行求解,得出h形抗滑桩桩身位移、桩身内力以及边坡治理效果,并依次对其进行分析[1-2]。

4.1 天然工况下边坡稳定性分析

天然工况下边坡位移云图见图2。由图2可知,在天然工况下,边坡位移主要集中于坡面的风化土区域;天然工况下,边坡最大位移出现在靠近坡脚的位置,最大边坡位移30mm,不满足工程安全要求;天然工况下,5.9%的岩土体区域总位移大于20mm,边坡位移从坡面上部至坡面下部整体呈逐渐递增的趋势。

图2 天然工况下边坡位移云图

天然工况下边坡等效塑性应变云图见图3。由图3可知,天然工况下,边坡等效塑性应变区域主要集中于风化土与风化岩的交界面处,且具有一定的宽度;在越靠近风化土与风化岩的交界面处,边坡等效塑性应变越明显;边坡等效塑性应变是边坡在极限状态下的潜在滑动面,天然状态下边坡潜在滑动面贯通,结合天然状态下边坡的位移情况,需要采取一定的支护措施对该边坡进行支护[3]。

图3 天然工况下边坡等效塑性应变云图

4.2 连梁刚度对桩身位移的影响分析

不同连梁刚度下,h形抗滑桩桩身位移见表2。由表2可知,随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩前后排桩桩顶位移整体上均呈逐渐减小的趋势,但减小的速率在逐渐下降;h形抗滑桩后排桩桩顶位移减小的幅度较前排桩更明显,且前后排桩桩顶位移的差值不断减小,最后趋近于定值;当连梁刚度在0.5EI～1.5EI时,h形抗滑桩前后排桩桩顶位移随着连梁刚度的增大而迅速减小,最大减小幅度6.6%;当连梁刚度在1.5EI～2.5EI时,h形抗滑桩前后排桩桩顶位移随着连梁刚度的增大而减小,但减小的速率较慢。

表2 不同连梁刚度下h形抗滑桩桩身位移

4.3 连梁刚度对桩身内力的影响分析

不同连梁刚度下,h形抗滑桩前排桩桩身最大内力见表3。由表3可知,随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩前排桩桩身最大剪力与桩身最大弯矩均逐渐减小,但减小幅度并不明显,前排桩桩身最大剪力与桩身最大弯矩变化不大;当连梁刚度小于1.5EI时,连梁刚度变化对h形抗滑桩前排桩桩身最大内力的影响较连梁刚度大于1.5EI时更大。

表3 不同连梁刚度下h形抗滑桩前排桩桩身最大内力

不同连梁刚度下,h形抗滑桩后排桩桩身最大内力见表4。由表4可知,随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩后排桩桩身最大剪力呈逐渐减小的趋势,但减小的速率在逐渐下降;当连梁刚度在0.5EI～1.5EI时,h形抗滑桩后排桩剪力随着连梁刚度的增加而较为迅速地减小,最大减小幅度17.6%;当连梁刚度在1.5EI～2.5EI时,h形抗滑桩后排桩桩身最大剪力随着连梁刚度的增大而减小,但减小的速率较慢。随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩后排桩桩身最大弯矩呈先减小、后增大的趋势,当连梁刚度为1.5EI时,h形抗滑桩后排桩桩身最大弯矩最小。

结合表3、表4可知,在不同连梁刚度下,h形抗滑桩前排桩的桩身最大剪力始终小于后排桩的桩身最大剪力,而h形抗滑桩前排桩的桩身最大弯矩始终大于后排桩的桩身最大弯矩;连梁刚度对后排桩最大剪力的影响较大,随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩后排桩桩身最大剪力的变化相较于前排桩桩身最大剪力的变化更大;连梁刚度对前后排桩桩身最大弯矩的影响效果不同,随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩前后排桩桩身最大弯矩的变化趋势不同[4]。

表4 不同连梁刚度下h形抗滑桩后排桩桩身最大内力

4.4 连梁刚度对边坡治理效果的影响分析

不同连梁刚度h形抗滑桩支护下,边坡稳定安全系数与最大位移见表5。由表5可知,随着连梁刚度的增加,边坡稳定安全系数逐渐增大,边坡最大位移整体上逐渐减小;随着连梁刚度的增加,边坡稳定安全系数增大的速率与边坡最大位移减小的速率均逐渐减小;当连梁刚度在0.5EI～1.5EI时,边坡稳定安全系数随着连梁刚度的增大而迅速提升,最大提升幅度5.5%,边坡最大位移随着连梁刚度的增大而迅速降低,最大降低幅度27.3%;当连梁刚度在1.5EI～2.5EI时,边坡稳定安全系数随着连梁刚度的增大而缓慢提升,边坡最大位移随着连梁刚度的增大而缓慢降低,最后基本不变。当连梁刚度为1.5EI时,边坡稳定安全系数为1.38,满足规范安全要求,边坡最大位移相较于天然工况下降低73.3%。

表5 不同连梁刚度h形抗滑桩支护下边坡稳定安全系数与最大位移

5 结 论

本文结合实例边坡工程,利用数值模拟技术,对h形抗滑桩连梁刚度的影响进行了研究。结论如下:

1)连梁刚度对h形抗滑桩桩顶位移有影响,但不同刚度范围影响的程度不同。当连梁刚度在0.5EI～1.5EI时,随着连梁刚度增加,h形抗滑桩桩顶位移下降相对较为迅速;在此刚度范围内,连梁刚度变化影响较大。

2)随着连梁刚度的增加,h形抗滑桩前排桩桩身最大剪力均随之减小,但减小的速率不同。连梁刚度对前后排桩桩身最大弯矩的影响效果不同。

3)边坡治理效果随着连梁刚度的增加而提升,但不同连梁刚度范围内提升的显著程度不同。当连梁刚度在0.5EI～1.5EI时,边坡治理效果提升效果较为显著;当连梁刚度在1.5EI～2.5EI时,边坡治理提升效果并不显著。当连梁刚度为1.5EI时,边坡稳定安全系数为1.38,边坡最大位移为8mm,均满足安全要求。

4)综合考虑h形抗滑桩桩顶最大位移、桩身最大内力以及边坡治理效果,该实例工程最优的连梁刚度为1.5EI。