圆形抗滑桩变形影响因素敏感性分析

刘晓敏

(吉安市水利局，江西 吉安 343000)

1 数值模型

1.1 模型建立

河道边坡典型剖面图见图1所示，根据典型剖面建立数值计算模型。假定开挖土体深度为10 m。建立模型时，为了减小应力波在模型边界反射造成的误差，适当对建模范围进行扩大。最终模型的长度为85 m，高度为40 m，顶宽为50 m。模型底部距坡底20 m。最终模型的网格总数为74 100个，节点个数为81 200。模型中抗滑桩采用pile单元进行模拟，桩间板采用shell单元模拟，桩土之间采用弹簧接触。采用link对桩单元和桩间板进行连接[1-5]。

图1 边坡典型剖面图

1.2 数值计算参数

模型的边界条件为底部约束三个方向的自由度。左右两侧施加水平方向的约束，顶部为自由面。岩土体计算本构采用摩尔-库伦，抗滑桩采用线弹性本构。抗滑桩及桩间板采用C30混凝土。其中抗拉强度为2.5×106Pa，抗压强度为2.5×107Pa。本文数值计算中岩土体及其他材料的物理力学参数见表1所示。

表1 材料物理力学参数取值

2 计算结果与分析

2.1 悬臂段岩土性质对桩变形影响

为分析土体的抗剪强度参数对桩顶变形的影响，本文假定抗滑桩悬臂段和嵌固段均为10.0 m，桩径为2.2 m，桩间距为5.0 m。分别计算了悬臂段土体不同内摩擦角及不同的内聚力大小变化对桩顶位移的影响。图2汇总得到了内摩擦角对桩顶变形的影响。当内聚力保持不变，桩顶位移随岩土体内摩擦角的增大而减小；当岩土体的内摩擦角不变时，桩顶变形随内聚力的增大而减小。当内摩擦角<10°时，随内聚力的增大，桩顶位移基本线性减小；当内摩擦角>10°时，随内聚力的增大，桩顶位移先减小后趋于平缓。证明当内聚力增大到一定程度时，内聚力继续增大对桩的变形影响很小。此外，当内聚力不变时，内摩擦角对桩顶变形的影响基本与内聚力对桩顶位移的影响一致。通过以上分析可知，当土体的抗剪强度指标小于某一数值时，桩顶位移变化速率比较快，当超出该临界值时，桩顶变形基本保持不变。实际工程中应做好排水工作，避免降雨导致岩土体抗剪强度指标迅速减小。

图2 内摩擦角对桩顶变形的影响

2.2 嵌固段深度及嵌固段岩土桩对变形影响

保持悬臂段岩土体的内摩擦角为15°，内聚力为20 kPa，桩径为2.2 m，桩间距为4.5 m，悬臂段为10.0 m。计算嵌固段不同岩土体性质下嵌固段深度对桩顶变形的影响(图3)。对于不同的不良土体而言(图3(a))，相同嵌固段深度下，土体强度参数越大，桩顶变形越小。相同岩土性质下，桩顶变形随嵌固段深度的增大而减小。但当嵌固段深度大于某一数值时，桩顶变形基本不随嵌固段深度的增大而增大。嵌固段土体性质越好，所需的临界嵌固段深度越小。软黏土最优嵌固段深度为14.0 m，而硬黏土和碎石土基本为10.0 m。此外，对于软塑状黏土及硬塑状黏土，当嵌固段长度小于6.0 m时，计算不收敛。证明桩体防护失效，边坡发生失稳破坏。图3(b)表明，桩顶位移达到稳定值与嵌固段岩土强度有很大的关系，其中嵌固段岩土强度越高，桩顶位移越小，如坚硬砂岩中，桩顶位移仅为3.7 cm。实际工程中可通过注浆措施增强嵌固段岩土强度来有效减少桩顶位移。综合图3结果来看，对于不同强度的岩体，所对应的临界或最优嵌固段深度不同。嵌固段岩体性质越好，所需的临界嵌固段深度越小。软泥岩最优嵌固段深度为11.0 m，而较硬岩和坚硬岩对应的最优嵌固段深度为9.0 m。

图3 嵌固段深度与桩顶变形的关系

2.3 抗滑桩尺寸及间距对桩变形影响

保持岩土体内摩擦角为15°，内聚力为20 kPa，悬臂段和嵌固段均为10.0 m不变，图4(a)汇总得到桩截面尺寸和桩间距组合因素对边坡加固效果的影响。结果表明，当桩径保持不变时，桩顶位移随桩间距的增大而减小，当桩间距保持不变时，桩顶位移随桩径的增大而减小。当相同桩径下，当桩间距增大到一定值时，桩顶位移基本保持不变。对于不同的桩径，对应的最优桩间距分别为4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m。图4(b)得到桩径变化对桩变形的影响。结果表明，在其他条件不变的情况下，桩顶位移随桩径的增大而减小。但当桩径增大到一定程度时，桩顶位移基本保持不变。因此实际工程中，一味地增大桩径来控制桩身位移并不经济。对于本文的研究而言，最优的桩径为2.8～3.0 m。

图4 桩间距对桩变形的影响

图5得到桩间距对桩变形的影响。结果表明，在桩间距与桩径比值保持不变的情况下，桩顶位移随桩间距增大而减小，证明减小桩间距对于控制桩顶变形的贡献小于增大桩径的贡献，实际工程中通过增大桩径控制桩顶位移的效果要比增大桩截面宽度效果更优。对于本文的研究而言，最优的桩间距为5.0～6.0 m。

图5 桩径对桩变形的影响

3 结 论

(1)当土体的抗剪强度指标小于某一数值时，桩顶位移变化速率比较快，当超出该临界值时，桩顶变形基本保持不变。实际工程中应做好排水工作，避免降雨导致岩土体抗剪强度指标迅速减小。

(2)相同嵌固段深度下，土体强度参数越大，桩顶变形越小。但当嵌固段深度大于某一数值时，桩顶变形基本不随嵌固段深度的增大而减小。综合来看，对于不同强度的土体，所对应的临界或最优嵌固段深度是不同的。嵌固段土体性质越好，所需的临界嵌固段深度越短。本文中软泥岩最优嵌固段深度为11.0 m，而较硬岩和坚硬岩对应的最优嵌固段深度为9.0 m。

(3)当桩径保持不变时，桩顶位移随间距的增大而减小，当桩间距保持不变时，桩顶位移随桩径的增大而减小。相同桩径下，当桩间距增大到一定值时，桩顶位移基本保持不变。因此实际工程中，无限制的减小桩间距和增大桩径来控制桩身位移并不经济。对于本文的研究而言，最优的间距为5.0～6.0 m，最优的桩径为2.8～3.0 m。