抗滑桩支护边坡静力与动力研究

周雯

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 安徽 合肥 230088

引言

由于地形条件的限制，存在着大量的滑坡，而在受外部干扰的条件下，软黏土的边坡更容易遭受破坏，因此需要进一步的研究。由于软黏土地层边坡失稳机制不清楚，抗滑桩支护的作用不明显，采用理论分析、数值模拟和工程应用相结合的方式，分析了该边坡的稳定性，并以其良好的综合性能和较好的力学性能为基础，进行了边坡的支撑。根据边坡变形特征和抗滑桩的受力状况，探讨了在软黏土地层中采用拱式抗滑桩的加固作用。

1 抗滑桩支护边坡分析

虽然起步比较迟，但是经过多年的理论和实际工作，目前国内对抗滑桩的防滑性和防滑性的研究与国际上已没有太大的距离。抗滑桩是目前广泛使用的一种滑坡支护形式，其工作机理是将桩身嵌入到边坡下部的稳定岩石中，通过其本身的力量和桩土之间的相互影响，达到均衡和提高其承载能力，从而提高其应力状况。随着抗滑桩的大量使用，在工程建设中，可以依据地质条件、坡体大小、地形地貌和坡体的水文条件选择木桩、钢管桩和钢筋砼桩。按桩的施工方式分为打入桩、灌注桩和人工挖孔桩，按桩的断面形状分为：方形，圆形，管状，H形等。在实际施工中，由于不同类型的抗滑桩所起到的作用也不尽相同，因此所产生的应力形态也不尽相同，其中的桩身分为横向和纵向两种，这两种类型的桩体都是由桥面的上部构件所承受的垂直载荷所引起的。而作为滑坡支护结构中的抗滑桩则是横向承重，通过地基本身的抗剪切和桩身的强度将其传递给抗滑桩，从而将其承受的滑动量转化为较低的稳定性，其主要功能是承受横向土的荷载。根据桩顶与边坡的间距，可以将其分为悬臂型和埋置型。按支护前、支护结构的不同，可以将支护结构划分成两类。第一类：在没有岩石或在没有地基的情况下，在没有地基基础的情况下，不能计算出桩前土的受力。桩头有岩土，这时应将桩前土的抗剪强度计算在内。埋置抗滑桩是将整个桩身置于滑坡体内，并与其表层之间有一段高度差异。第二类：在有岩石或稳定地基的情况下，可以计算出桩前土的受力。这类支护结构通常被称为承载桩或支承桩。在这种情况下，桩身被埋置在稳定的岩土层或地基中，通过桩身与地基之间的摩擦力或端承力来传递荷载，从而提供支护效果。承载桩的设计和施工需要充分考虑地基的承载能力和变形特性，以确保支护结构的安全性和稳定性。

2 抗滑桩支护边坡静力与动力模型建设

2.1 动力模型

动态模型和静态模型在尺寸、材料分组、参数和网格划分方面都是一样的，在静态力学分析结束后，对模型的边界进行了重新界定，在动态计算中对模型的底部进行了处理。在FLAC3D中，采用了一个动态的边界条件，并对其进行了机械阻尼的设置。在动态分析中，可以选用瑞利阻尼、局部阻尼和滞后阻尼三种不同的阻尼形式。在进行动态计算前，必须用动态负载的方法对其进行动态载荷计算分析。利用FLAC3D中FISH函数编写三维速度、加速度和应力函数，并利用 FISH函数对其进行动态加压。但是，使用FISH功能的方法，当采用动态载荷时，其输出的速度和加速度等参数与实际的地震反应有很大的差异，无法对其进行真实的地震反应，从而导致了不精确的结果。利用真实的地震资料，编写出与之对应的震源数据。这种方法使用了真正的通过对实测数据的观测，可以更好地反映出实际情况下所承受的地震荷载。地震动强度、动频谱特性和地震持续期是地震动力计算中的一个主要因素。在选择地震波时，要综合考虑3个因素，并要注意根据现实状况进行相应的调节。最后，在动态分析中选取了一个具有0.02s、10s的周期的El-Centro波段，以探讨在7个级别的地震设防条件下，抵抗滑动桩基的作用。但在FLAC3D中，采用了一组不连续的荷载，所以在进行了地震荷载作用下的计算时，采用了一系列的荷载。在此基础上，首先要对所加地震波进行相应的处理，这一过程中，首先要对所加的地震波进行过滤，然后进行基线修正，使所述地震波的最小化，使所述模型的整体网孔减小，并使所述模型的整体数目减少，最后能够明显地减少动态计算所需要的时间。

2.2 静力模型

从以上结果可以看出，桩间土在自重和外力的共同作用下，会发生对应的垂直下沉，而桩的侧向摩擦力与地基的相对于地面的下沉，从而在桩之间形成垂直的土拱。根据桩间横向土拱的试验结果，结合桩间土的垂直沉降和桩侧土之间的摩阻效应，提出了一种基于垂直土拱桩的三元计算模式，以证实桩间竖直土拱的存在，并对各种影响因子的变化和规律进行了分析。

利用有限元方法计算出了桩间竖向土拱的四次方程式，并对桩间土的受力和变形进行了研究，结果表明：当桩间距越大，竖直土拱的影响越大，而当桩间距越大，竖直土拱的成拱作用越弱，2b～3b桩间距越大，垂直土拱的效果越好，越能抑制桩间的土体下沉。在桩间土间距超过5个后，桩间土的垂直变形趋于稳定，也就是说，如果有抗滑桩，则不会对其垂直稳定性产生任何的影响，从而使桩间竖向土的受力减弱或消失。所以，在实际抗滑桩施工中，要使桩间土的形变充分发挥垂直土拱的功能，并适当地布置桩间距以节省工程费用，使桩间的垂直位移减小，垂直土拱的影响最大。根据仿真结果，桩间土体在垂直方向上产生的土拱，由于施加适当的外力，导致桩与土之间产生了较大的相对变形，在一定的崩塌压力下，土体竖向压缩强度降低，并产生了明显的土拱效应，并在一定的压力下产生了垂直土拱[1]。分析了桩间土壤的内磨角和桩间土壤的内磨角对垂直土拱的作用。在某一区域，由于土壤的黏性和内部摩擦角的增大，桩间竖直土拱效应明显增大，因而能明显地限制垂直方向的变形，在黏性 C＞50kPa，内磨角＞30°的情况下，桩间竖直土拱的稳定性越好，说明垂直土拱的作用不会随土力学参数的增大而不断增大，发现土体黏聚力对竖直土拱的影响较内摩擦角要大。从空间分布特征来看，不管桩间净距的改变或外部荷载的差异，沿桩身深部的桩间竖直土拱较浅部土拱稳定性好，桩间土拱的破坏多从上部开始的，破坏大多发生悬臂段的上端。

通过对已有的有关土拱作用的研究，对抗滑桩－桩－土的相互作用机制进行了分析。利用FLAC3D有限差分软件，对嵌入抗滑桩的支护进行了三维数值模拟。以横向和纵向的土拱作为试验材料，分析了不同荷载作用下的桩间土拱作用，并得出了以下几个方面的结论：对桩间土体内的横向土拱进行了分析，得出了水平土拱的横梁是一条抛物线，随着桩距的增大，桩间的土拱作用呈现出明显的变化趋势，且桩间的土拱作用由2b、3b、4b桩间土拱作用较明显。结果表明，抗滑桩支护的效果是最好的，当桩间净间距超出一定的距离时，其横向土的作用难以得到充分的体现。通过计算，得出了在某一特定区域，桩间土拱承载力与桩顶之间的相互作用。随着滑坡的推力增大，其强度也随之增大，在黏性强度超过3个时，其变形量越小。随着地基的不断提高，混凝土的抗剪承载力逐步下降，拱顶高度下降，土拱的稳定性也随之减弱。同时还发现，在某一特定区域，随着土壤内摩擦角的增大，对桩间土的横向作用有明显的提高在土壤黏结度和内部摩擦角比较大的情况下，则存在横向土拱作用。逐步稳定下来，没有任何显著的改变。分析结果表明，当土壤黏着力与内部摩擦角增大时，抗滑桩的最优桩间距增大，并得出了其对桩间的作用。通过对水平拱形的分析，得出：在垂直于桩的深度上，横向的土拱的稳定性是逐步提高的[2]。

采用数值仿真方法，对桩间土在自重、外部荷载和桩身侧面荷载作用下的垂直土拱进行了分析。由于受力限制，在相同的桩与桩之间存在着不均匀的沉陷，并在桩与桩之间形成垂直的土拱。同时，由于对垂直沉降的抑制作用，拟合出垂直土拱的拱轴为4次方程式，并且垂直土拱随桩间距的增大由强变弱，2b～3b桩间的净距离最大。得出了在产生垂直土拱时，桩间土体所需的外力会导致桩土产生大的相对位移，当滑动量大于2个土体的黏性时，垂直土拱的稳定程度逐步降低。不同的损伤使得桩间土的沉陷明显增大，垂直土拱作用逐渐减弱。同时，当土壤的内磨角和黏性增大时，垂直土拱会逐步增大，从而可以有效地限制垂直方向的变化。在土壤黏性C≤50kPa、内磨角≤30°时，桩间土的垂直土拱倾向趋向明显稳固。同时，考虑到桩间的横向和纵向的土拱效应，建议采用桩间距在一定范围内。在2b至3b的区域，也就是每根桩距不得大于3个桩径，这样可以最大限度地利用桩间土的变形。同时，由于桩间的横向土拱和垂直土拱效应，可以使桩间的间隔适当的布置，从而节省了项目成本[3]。

3 抗滑桩支护边坡静力与动力数据分析

对于含有软黏土的边坡体，其内部构造比较复杂，且有多个滑动表面，其支撑结构具有很高的空间特性，因此对于边坡支护具有很好的应用前景。为了加深对软黏土边坡体结构的认识，检验其应用前景[4]。通过对软弱地基的模拟，对不同厚度、不同角度软弱地基的软弱地基进行了计算，并根据软弱地基的不同角度，对不同软弱地基的软弱地基进行了计算。建议采用带连接梁的拱形布置抗滑桩支护基体，并与直线布置的抗滑桩基体进行比较，结合边坡稳定因子抗滑桩基体的内力变化，计算了两类桩基的支护作用。

通过实际应用，检验了两种不同类型的抗滑桩支护作用，得到以下几个方面的主要结果：当软黏土夹角不变时，软黏土的变化对斜面的稳定作用不超过4%。软黏土的厚度维持不变，随着软黏土夹角增加，其稳定因子逐渐降低。当岩土和岩土之间的比例改变时，岩样的临界滑动表面会发生相应的改变，而当岩土夹角较大时，引起岩样变形的各参量比减小，而黏性土的参数对岩样的影响则相对较少。采用拱形布置和采用线性布置的抗滑桩在边坡支护时，由于桩身长度不大，受连接梁柱的作用比较大，且在受力变形时，各个抗滑桩相互配合。当桩长比较大时，两种不同类型的抗滑桩受力均有所下降。由于拱式抗滑桩在边坡处所承受的正向土体应力将其转换成横向推力，因而其前向弯矩和剪切力下降，因此，在相同跨度和截面面积相同的情况下，采用直线布置的抗滑桩比直线式抗滑桩要低26.1%，剪切强度要比直线式抗滑桩少24.85%。当边坡在软黏土地层中发生损坏，采用拱形布置抗滑桩支护时，其稳定因子比直线式大，而当坡底发生滑坡，当软土夹角较低时，拱式支护边坡的稳定因子比直线式的高，而当软黏土层角大时，支护边坡的稳定因子要比直线式的高。对两类不同类型的边坡体进行了全面的研究，得出了边坡的稳定因子和桩身的变化规律[5]。

4 结束语

综上所述，根据抗滑桩支护边坡静力与动力计算结果，研究了不同厚度、不同角度软弱地基对软弱地基的影响。建议采用带连接梁的拱形布置抗滑桩支护基体，并与直线布置的抗滑桩基体进行比较，结合边坡稳定因子抗滑桩基体的内力变化，计算了两类桩基的支护作用。在计算抗滑桩弯矩和剪力时，采用梁单元对抗滑桩进行等效处理，数值模拟计算时会与实际情况存在一些偏差，还需要根据连系梁参数、拱形布设抗滑桩的拱轴线等方面进一步深入分析。