潘新恩，熊 磊

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

?

不同嵌固深度下的承臺(tái)式雙排抗滑樁受力分析

潘新恩1，熊 磊2

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

文章以數(shù)值模擬為研究手段，分析了嵌固深度變化對(duì)承臺(tái)式雙排樁前后排樁的側(cè)向位移、內(nèi)力分布及荷載分擔(dān)的影響。研究結(jié)果表明：樁身的合理嵌固深度宜取樁長(zhǎng)的1/3，此時(shí)前后排樁的荷載分擔(dān)比為5.2∶4.8；抗滑樁的嵌固深度越小，樁體側(cè)向位移越大，樁身內(nèi)力會(huì)存在明顯變化；作用在雙排抗滑樁上的滑坡推力，在前后排樁上是按照一定比例進(jìn)行分配的，而不是等分原則。建議在設(shè)計(jì)承臺(tái)式雙排抗滑樁時(shí)，前后排樁應(yīng)按一定的荷載分擔(dān)比例分別設(shè)計(jì)。

雙排抗滑樁；嵌固深度；受力特性；荷載分擔(dān)

0 引言

抗滑樁是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，其主要靠發(fā)揮樁身抗剪抗彎強(qiáng)度，把作用在樁身的滑坡推力傳遞到穩(wěn)定地層，利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動(dòng)抗力來平衡滑坡推力[1]。利用抗滑樁加固邊坡必須使其在穩(wěn)定地層中嵌入一定深度，這一深度往往取決于穩(wěn)定地層中巖土的性質(zhì)、風(fēng)化程度及所受荷載的大小等多種因素。而抗滑樁的設(shè)計(jì)中嵌固深度的選取往往是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或者以工程經(jīng)驗(yàn)及工程類比為基礎(chǔ)進(jìn)行的，考慮抗滑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性多，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性選擇欠考慮，這會(huì)導(dǎo)致滑坡治理的工程費(fèi)用增加和施工難度增大[2]。

在以往的研究中，對(duì)雙排抗滑樁在計(jì)算模型、計(jì)算方法方面的研究較多[3-5]，也有很多學(xué)者研究了雙排抗滑樁的受力特性和荷載分配[6-13]，但是在嵌固深度對(duì)承臺(tái)式雙排抗滑樁的受力影響方面的研究還比較少。因此，對(duì)不同嵌固深度下雙排抗滑樁的受力特性進(jìn)行研究，探討嵌固深度對(duì)承臺(tái)式雙排抗滑樁的影響及應(yīng)用過程中合理的嵌固深度取值是十分必要的。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

采用ANSYS有限元軟件，建立承臺(tái)式雙排鉆孔抗滑樁有限元模型，在滑體后緣施加面力荷載模擬滑坡推力?？紤]模型在空間上的對(duì)稱性，為了節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，僅建立只有一組前后樁模型進(jìn)行計(jì)算。

(1)材料參數(shù)

數(shù)值模擬中的巖土體材料考慮為彈塑性材料，采用Drucker-Prager彈塑性模型。巖土體材料參數(shù)通過摩爾-庫侖等面積圓準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換后輸入ANSYS進(jìn)行計(jì)算。樁及承臺(tái)則考慮為線彈性材料，材料參數(shù)取混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的參數(shù)。模型的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

(2)模型尺寸

模型由三部分組成，滑體、滑床、承臺(tái)及前后樁。滑體厚度為11 m，滑體左側(cè)至承臺(tái)后緣的距離為10 m，滑體前緣放坡，坡度為45°，結(jié)合滑坡治理中常采用的大截面抗滑樁，樁身直徑取D=2 m。承臺(tái)厚度為1 m，承臺(tái)前后邊緣距前后樁的中心距離為2 m；模型前、后樁的中心距離為8 m即樁排距為4倍樁直徑；模型的寬度為8 m即樁間距為4倍樁直徑?；A(chǔ)模型的滑床厚度取為9 m，抗滑樁在巖質(zhì)地層中的錨固深度暫取為5 m，后續(xù)分析中保持其他因素不變，僅改變嵌固深度。模型的幾何尺寸如圖1所示，模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

圖1 模型縱向剖面示意圖(單位：m)

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

(3)樁土關(guān)系

為反映樁土相互作用機(jī)理，樁土間設(shè)置接觸單元，接觸關(guān)系采用面面接觸，滑面使用接觸單元模擬，接觸摩擦系數(shù)均為0.3。

(4)荷載及邊界約束條件

根據(jù)實(shí)際受力狀態(tài)設(shè)置邊界條件，使得計(jì)算模型更接近真實(shí)狀態(tài)。在模型底部施加固定約束條件，在滑床前后緣施加法向約束條件，坡面自由，滑體前緣自由，不施加約束邊界條件。模型的左右側(cè)(即Z方向)施加對(duì)稱約束。在初始平衡階段，限制滑體左側(cè)邊界在X方向的位移。在加載階段，去除滑體左側(cè)邊界在X方向的位移限制，在滑體模型后側(cè)施加面荷載模擬滑坡推力，施加的面力荷載均為80 kPa。

采用單因素法，保持模型的其他因素不變，僅改變樁身的嵌固深度，分析樁的嵌固深度變化為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m時(shí)(與樁長(zhǎng)的比值分別為3/14、4/15、5/16、6/17、7/18。)對(duì)樁身側(cè)向位移和內(nèi)力分布的影響程度，判斷不同嵌固深度對(duì)抗滑樁穩(wěn)定性的影響，同時(shí)給出相應(yīng)嵌固深度下前后排樁的荷載分擔(dān)比。

對(duì)前后排樁的荷載分擔(dān)比[11]進(jìn)行定義，為前排樁或者后排樁所承擔(dān)的荷載占前后兩排抗滑樁所承擔(dān)的總荷載的比值。在實(shí)際工程中，抗滑樁的破壞主要以受彎破壞形態(tài)為主，抗滑樁的設(shè)計(jì)主要仍是以截面抗彎強(qiáng)度控制的[1]。而且樁身內(nèi)力不足是抗滑樁常見的破壞形式，如樁身在滑動(dòng)面處被剪斷或在最大彎矩處被拉斷[14]。因此，用樁身內(nèi)力來量化前后樁承擔(dān)的滑坡推力更合適，而且已有學(xué)者[13]采用類似方法評(píng)價(jià)多排抗滑樁的荷載分擔(dān)。本文采用比較前后排樁在滑面附近處的最大彎矩絕對(duì)值的方法來計(jì)算荷載分擔(dān)比。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

樁錨固深度越大，抗滑樁的穩(wěn)定性越好，但是治理滑坡的費(fèi)用會(huì)越大，施工也會(huì)變得越困難?？够瑯逗侠淼腻^固深度，應(yīng)該是在滿足滑坡穩(wěn)定性及安全性的前提下，既能最大發(fā)揮抗滑樁的抗彎性能，又能帶來較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益?；轮卫碇锌够Y(jié)構(gòu)嵌固深度的合理取值成了工程師普遍關(guān)心的問題。不同嵌固深度下的模型計(jì)算結(jié)果見圖3～4。

圖3 前樁位移圖

圖4 后樁位移圖

由圖3～4可知，隨著抗滑樁嵌固深度的增大，樁頂?shù)奈灰浦饾u減小，在嵌固深度為3 m時(shí)，樁頂?shù)奈灰戚^之前有明顯的增加，說明嵌固過短，抗滑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)整體位移大。嵌固深度在≥5 m以后，樁身位移幾乎不產(chǎn)生變化，說明當(dāng)嵌固深度到達(dá)一定程度后，再增加深度對(duì)樁身內(nèi)力位移貢獻(xiàn)不大。因此，抗滑樁的嵌固深度存在一個(gè)臨界值，超過該值，提高嵌固深度對(duì)限制抗滑樁側(cè)向位移無顯著效果；而低于該值，抗滑結(jié)構(gòu)位移顯著增大。

圖5 前樁剪力圖

圖6 后樁剪力圖

由圖5～6可知，滑面附近(-11 m處)樁身剪力均為零；滑面以上，嵌固深度變化對(duì)前排樁的剪力變化形態(tài)無影響；對(duì)于后排樁，當(dāng)深度為3.0 m時(shí)，剪力分布曲線較其他曲線則顯著減小?；嬉韵?，樁的嵌固深度越小，剪力絕對(duì)值越大；隨著嵌固深度增加，當(dāng)深度為5.0 m以下時(shí)，剪力分布曲線逐漸變緩，剪力絕對(duì)值逐漸減小，并趨于某一個(gè)值。由于嵌固段樁與樁周巖土體是相互作用的，嵌固深度越小，嵌固段位移越大，樁身剪力也越大，作用在樁周嵌固段巖體上的力也就越大，對(duì)嵌固段巖土體的要求也就相對(duì)越高。

圖7 前樁彎矩圖

圖8 后樁彎矩圖

由圖7～8可知，承臺(tái)式雙排抗滑樁樁身彎矩呈反S型分布，后排樁的樁身反彎點(diǎn)較前排樁的要低，反映出后排樁較前排樁分擔(dān)了更多的推力荷載。當(dāng)樁的嵌固深度由7 m減小到4 m的過程中，前后樁的樁身彎矩變化較小。當(dāng)嵌固深度為3 m時(shí)，前后樁樁身彎矩較之前發(fā)生顯著變化，均明顯減小，這是因?yàn)殡p排抗滑樁在滑坡推力作用下，前排樁表現(xiàn)為抗壓樁，后排樁表現(xiàn)為抗拔樁，而嵌固深度為3 m時(shí)，錨固深度的不足使得后排樁明顯大位移出現(xiàn)傾覆之勢(shì)，位移陡增使得樁身彎矩得到釋放進(jìn)而樁身彎矩會(huì)顯著減小，同時(shí)錨固深度不足也會(huì)使得錨固段巖土體受到的側(cè)向壓力增大。

不同樁嵌固深度下的荷載分擔(dān)比如表2所示。

表2 前后排樁荷載分擔(dān)比數(shù)值表

由前后排樁樁身位移圖、剪力圖、彎矩圖以及荷載分擔(dān)比可知，嵌固深度不可隨意選取，過長(zhǎng)的嵌固深度會(huì)增加工程造價(jià)，不經(jīng)濟(jì)；過短的嵌固深度則無法有效支撐滑面以上的下滑力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。抗滑樁的嵌固深度存在一個(gè)合理的臨界值。對(duì)于本算例，當(dāng)樁身嵌固深度≤4 m時(shí)(4/15)，樁身位移和內(nèi)力曲線均開始出現(xiàn)顯著變化；當(dāng)樁身嵌固深度≥5 m后(5/16)，樁身位移和內(nèi)力曲線變化趨于穩(wěn)定，因此，可以得出樁身的合理嵌固深度宜取約等于樁長(zhǎng)的1/3。同時(shí)，樁身嵌固深度約等于樁長(zhǎng)的1/3及更大時(shí)，嵌固深度的變化對(duì)分擔(dān)比例沒有影響，前后排樁的荷載分擔(dān)比為5.2∶4.8。由此可知：作用在雙排抗滑樁上的滑坡推力，在前后排樁上是按照一定比例進(jìn)行分配的，并不是等分原則。因此，以往的前后樁按照等截面設(shè)計(jì)是不合理的，建議在設(shè)計(jì)承臺(tái)式雙排抗滑樁時(shí)，可把前后排樁分別看成由兩個(gè)單排樁組成，前后兩個(gè)單樁遵循一定的荷載分擔(dān)比例分別設(shè)計(jì)，如前后樁不等截面，這樣結(jié)構(gòu)的受力會(huì)更加合理些。

3 結(jié)語

本文以數(shù)值模擬為研究手段，采用單因素法分析了嵌固深度變化對(duì)承臺(tái)式雙排樁前后排樁的側(cè)向位移、內(nèi)力分布及荷載分擔(dān)的影響，得出如下結(jié)論：

在雙排抗滑樁的設(shè)計(jì)施工過程中，樁身的嵌固深度宜取樁長(zhǎng)的1/3?？够瑯兜那豆躺疃仍叫?，樁體側(cè)向位移越大，樁身剪力和彎矩在滑面以下嵌固段會(huì)存在明顯變化，對(duì)錨固段巖土體的強(qiáng)度要求越高。同時(shí)，樁身嵌固深度約等于樁長(zhǎng)的1/3及越深時(shí)，嵌固深度的變化對(duì)分擔(dān)比例沒有影響，前后排樁的荷載分擔(dān)比為5.2∶4.8。因此，建議在設(shè)計(jì)承臺(tái)式雙排抗滑樁時(shí)，可把前后排樁分別看成由兩個(gè)單排樁組成，前后兩個(gè)單樁遵循一定的荷載分擔(dān)比例分別設(shè)計(jì)。

[1]鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.抗滑樁設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[2]萬仁鋒.抗滑樁設(shè)計(jì)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[3]周翠英，劉祚秋，尚 偉，等.門架式雙排抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算新模式[J].巖土力學(xué)，2005，26(3)：441-444.

[4]劉 鴻.雙排抗滑樁的計(jì)算方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[5]錢同輝，唐輝明.雙排門式抗滑樁的空間計(jì)算模型[J].巖土力學(xué)，2009，30(4)：1137-1141.

[6]黃小艷，徐年豐，王漢輝，等.雙排抗滑樁受力規(guī)律的數(shù)值研究[J].人民長(zhǎng)江，2012，43(1)：4-8.

[7]熊治文，馬 輝，朱海東.全埋式雙排抗滑樁的受力分布[J].路基工程，2002，102(3)：5-11.

[8]周應(yīng)華.門架式雙排樁受力位移特性分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(6)：30-33.

[9]申永江，孫紅月，尚岳全，等.雙排抗滑樁樁頂連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S1)：3034-3038.

[10]祁 斌，常 波，吳益平.雙排杭滑樁滑坡推力分配影響因素分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，19(3)：359-363.

[11]唐 芬，鄭穎人，楊 波.雙排抗滑樁的推力分擔(dān)及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(s1)：3162-3168.

[12]申永江，呂 慶，尚岳全.樁排距對(duì)雙排抗滑樁內(nèi)力的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(7)：1033-1037.

[13]王 旭，晏鄂川，呂美君.埋入式雙排樁-土體系間內(nèi)力分配的模擬[J].煤田地質(zhì)與勘探，2006，34(4)：34-39.

[14]魯紹寧.抗滑樁失效模式和安全評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2010.

Platform-type Double-row Anti-slide Pile Stress Analysis under Different Embedded Depth

PAN Xin-en1，XIONG Lei2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.River and Ocean Engineering School，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

With numerical simulation as the research means，this article analyzed the impact of embed-ded depth changes on the lateral displacement，internal force distribution and load sharing of front and rear-row piles of platform-type double-row piles.The results showed that：the reasonable embedded depth of pile body should take 1/3 pile length，then the load sharing ratio of front and rear-row piles is 5.2∶4.8；the smaller embedded depth the anti-slide pile，the more lateral displacement of pile body，and the internal force of pile body shows significant change；the landslide thrust acting on double-row anti-slide piles is allocated according to a certain percentage on front and rear row of piles，rather than the principle of equal portions.It is recommended that the front and rear row of piles should be designed respectively according to certain load sharing ratio when designing the platform-type double-row anti-slide piles.

Double-row anti-slide piles；Embedded depth；Mechanical characteristics；Load sharing

U443.25

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.022

1673-4874(2016)09-0083-04

2016-05-12

潘新恩(1989—)，助理工程師，碩士，主要從事水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)、評(píng)估與加固設(shè)計(jì)工作；

熊 磊(1990—)，碩士，主要從事水利工程災(zāi)害形成機(jī)理及防治研究方面的工作。