朱懷銀

(中國鐵路上海局集團有限公司 建設管理處，上海 200071)

微型樁作為一種支擋抗滑結(jié)構(gòu)物被廣泛使用在邊坡的穩(wěn)定性治理中，這種支擋結(jié)構(gòu)具有放坡空間小、側(cè)向剛度大等特點[1-4]。近年來多排微型樁技術(shù)逐漸興起，它是通過樁頂連梁剛性連接將多排微型樁結(jié)合使用的一種新技術(shù)，將多排微型樁視為一個整體，對巖土體可起到更大的支擋抗滑作用，增強了樁間及樁周土體的強度。

一些學者對多排樁的受力特性進行了研究和分析。周鵬華[5]利用MIDAS GTS NX有限元軟件和現(xiàn)場監(jiān)測對雙排樁進行受力變形分析，研究表明雙排樁樁身水平位移隨深度變化基本呈“S”形分布，并且加固樁間土后，樁、土間整體性更強。張秀成等[6]應用ABAQUS軟件，選取Mohr-Coulomb土體本構(gòu)模型對武漢地區(qū)一深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行三維數(shù)值計算，認為在前后排樁協(xié)同作用下，冠梁大大約束了樁頂?shù)膫?cè)向變形，并使得前后排樁的變形協(xié)調(diào)一致。朱慶科[7]基于winker假定對雙排樁進行理論計算和數(shù)值分析，提出了考慮冠梁平面外實際剛度的理論計算方法，可以考慮冠梁實際彎曲變形計算雙排樁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形特性。吳剛[8-9]采用FLAC 3D有限差分法軟件模擬了河北邯鄲一雙排樁深基坑的開挖和支護過程,分析了開挖過程中土體位移場的變化規(guī)律;重點討論了排距、前后排樁的樁長、樁徑和排間土體剛度對雙排樁支護結(jié)構(gòu)的影響。唐春[10]在定性分析和初步設計的基礎(chǔ)上，建立數(shù)值計算準三維模型并設計多種計算工況，分析了滑坡整治措施的必要性及初步方案的可行性，進而對設計方案提出了優(yōu)化。

目前許多學者對排樁支護做了大量的數(shù)值模擬、模型試驗以及現(xiàn)場監(jiān)測研究工作，但大多數(shù)的研究僅涉及雙排樁，對于三排樁的研究相對較少。本文采用ABAQUS有限元軟件建立三排鋼花管樁數(shù)值模型，研究三排鋼花管樁的受力變形規(guī)律，從而為指導三排樁的設計和施工提供有效的依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方案

1.1 模型尺寸

采用ABAQUS建立三維模型，土體選取Mohr-Conlomb模型，模擬的土體計算域橫向?qū)挒?2 m，高為15 m。自上而下設置上部滑體為土體，下部滑床為巖體的分層，滑體高度為6 m的土質(zhì)邊坡，下部巖體深度取 9 m，滑體與滑床之間存在約0.2 m的滑帶，不考慮地下水對滑坡的影響。微型樁的樁長12 m，樁徑為0.13 m，橫縱樁間距均為1 m，選取縱向中間的一列樁為研究對象，由左向右分別為1#樁、2#樁和3#樁。邊坡與微型樁均采用彈性模型進行模擬，邊坡及微型樁模型如圖1所示。

圖1 微型樁加固滑坡模型示意

模型中不同實體間接觸：有限元模型中將樁頂板和所有的樁作為一個部件，樁與頂板之間為剛性連接，與實際工程情況相符;土體作為另一個部件。樁與土之間以及頂板與土之間采用摩擦接觸進行連接，樁土之間摩擦因數(shù)為0.35，樁與巖體之間摩擦因數(shù)為0.58，頂板與邊坡頂面土之間摩擦因數(shù)為0.35。

約束及邊界情況：模型巖土體底端約束x,y,z方向位移；模型右側(cè)約束水平位移；模型的左側(cè)巖體部分約束水平位移(x向)，上部土體為加載范圍，滑帶范圍為自由邊界；模型前后兩面(y向)約束水平位移。

荷載情況：在模型滑體左側(cè)斷面進行位移加載，加載位移達50 mm。因為在位移加載條件下滑坡推力分布較合理，采用位移加載方式在有限元計算中控制方便，物理意義明確。

1.2 模擬工況

實際邊坡工程中常會遇到不同的地質(zhì)條件，并需要確定樁的排數(shù)、樁間距、微型樁組合形式等多種因素。為了更好地研究微型樁加固邊坡的機理，確定合理的加固設計參數(shù)，本文將對地層條件和樁排數(shù)2個影響因素進行分析，研究3種不同的滑坡土體，其各部分參數(shù)見表1。

表1 模型中滑體、滑帶及滑床物理力學參數(shù)

不同樁排數(shù)微型樁加固邊坡，結(jié)構(gòu)作用機理差別較大。在進行微型樁加固邊坡設計時，確定合理的樁排數(shù)非常關(guān)鍵。設計了單排、雙排和三排的模型，研究其不同的承載特性。不同樁排數(shù)模型參數(shù)見表2。

表2 不同樁排數(shù)分析模型參數(shù)

1.3 單樁極限承載力

圖2 微型樁注漿圓形截面

在進行下一步有限元計算之前需要確定微型樁(直徑130 mm，如圖2所示，圖中α為受壓區(qū)截面面積對應的圓心角(rad)與2π 的比值；r為圓形截面半徑，取65 mm；rs為鋼管截面重心所在圓周半徑)的極限承載能力，以確定有限元計算中樁在何時發(fā)生破壞。

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄E.0.4 圓形截面混凝土受彎承載力公式,計算得受彎承載力Mu=24.30 kN·m,受剪承載力Q=260.07 kN。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同地層條件影響因素分析

2.1.1 樁身水平位移

圖3 不同邊坡地層條件下樁身水平位移

不同邊坡地層條件下，樁間距為1.0 m的三排樁模型加載位移50 mm條件下的樁身水平位移見圖3?？芍徽撛诤畏N土層條件下，三排樁的位移呈現(xiàn)相似的變化趨勢，最大水平位移發(fā)生在樁頂位置。煤系地層邊坡樁頂最大水平位移為37.0 mm，花崗巖殘積層邊坡樁頂最大水平位移為41.0 mm，強風化角巖邊坡樁頂最大水平位移為47.7 mm。隨著樁深的增加，其水平位移逐漸減小，土質(zhì)較軟弱(煤系地層)時樁身水平位移從樁頂至滑帶附近逐漸過渡，滑帶附近樁身水平位移較小，樁身呈現(xiàn)整體傾斜型；隨著邊坡地層強度逐漸增大(花崗巖殘積層和強風化角巖)，滑帶附近樁身位移隨之急劇增大，滑帶以上樁體呈現(xiàn)隨土體整體水平移動的趨勢。

2.1.2 樁身彎矩

不同邊坡地層條件下，樁間距為1.0 m的三排樁模型在加載位移50 mm條件下的樁身彎矩見圖4(強風化角巖加載位移至30 mm時樁身彎矩達到極限彎矩)?？芍?，不同地層條件下，樁身的彎矩分布形式基本一致，樁頂存在不同方向的彎矩(第1排樁與第2排樁、第3排樁方向相反)，樁身最大彎矩發(fā)生在滑帶附近。巖土體強度越高樁身最大彎矩越大，煤系地層土體的最大彎矩達到10.3 kN·m；花崗巖土體和強風化角巖土體左側(cè)邊界加載位移到30 mm左右時，樁身彎矩分別達到了23.7 kN·m 和24.1 kN·m，接近24.3 kN·m樁身極限彎矩。

圖4 不同邊坡地層條件下樁身彎矩

不同地層條件下的三排樁第1排樁與第2排樁、第3排樁彎距方向相反，因為3根樁樁頂采用頂板剛接在一起。左側(cè)位移加載開始后，先推動第1排樁移動，第1排樁通過頂板帶動第2排樁、第3排樁移動，造成第1排樁與第2排樁、第3排樁在樁頂附近彎矩方向相反。

2.1.3 樁身剪力

圖5 不同邊坡地層條件下樁身剪力

不同邊坡地層條件下，樁間距為1.0 m的三排鋼花管樁模型在加載位移50 mm條件下的樁身剪力見圖5(強風化角巖加載位移至30 mm時受彎破壞)?？芍?，樁身剪力分布及最大值隨邊坡土質(zhì)情況變化呈現(xiàn)出與彎矩類似的情況，剪力最大值發(fā)生在滑面附近；邊坡土質(zhì)越硬，樁身最大剪力越大。左側(cè)邊界加載位移50 mm時，煤系地層條件下三排樁樁身最大剪力分別為25.4，16.4，12.1 kN，第2排樁、第3排樁剪力分別為第1排樁的64.5%，47.6%；花崗巖殘積層條件下樁身最大剪力分別為80.2，70.6，60.0 kN，第2排樁、第3排樁剪力分別為第1排樁的88%，75%；強風化角巖條件下加載位移至30 mm時樁身最大剪力分別為187.9，158.2，112.4 kN，第2排樁、第3排樁剪力分別為第1排樁的84.2%，59.8%。

2.1.4 滑坡推力與樁頂位移

滑坡推力與加載位移變化曲線見圖6?？芍?，第1類土(煤系地層)邊坡因巖質(zhì)較軟，微型樁加固效果并不明顯，加載位移50 mm時，有樁模型滑坡推力相對于無樁增加約40 kN；第2類土(花崗巖殘積層)有樁模型滑坡推力相對于無樁增加約210 kN；第3類土(強風化角巖地層)，有樁模型滑坡推力相對于無樁增加約340 kN。

圖6 滑坡推力與加載位移變化曲線

2.1.5 結(jié)果討論

通過對不同地層的三排樁進行數(shù)值模擬分析，可以得到：①當邊坡左側(cè)位移加載50 mm時，較軟弱土質(zhì)中三排樁樁身水平位移有一定的差別，且土質(zhì)越硬三排樁間的差異水平位移越小。強風化角巖地層中三排樁水平位移幾乎完全一致。其原因為加載過程中，土體帶動抗滑樁移動，土體強度越高，傳遞位移的能力越強，導致樁身水平位移越大，同時三排樁之間的差異位移越小。②當邊坡左側(cè)位移加載50 mm時，花崗巖殘積層邊坡的樁身最大彎矩已經(jīng)接近樁身極限彎矩，而強風化角巖邊坡樁身最大彎矩已經(jīng)超過極限彎矩，說明微型樁已經(jīng)發(fā)生了彎曲破壞。③當邊坡左側(cè)位移加載30 mm以上時，第2排樁、第3排樁滑面處剪力與第1排樁剪力比值分別為0.64～0.88,0.48～0.75；滑體強度越高，三排樁整體受力性能越好，剪力比值越大。④滑體強度越高，三排鋼花管樁加固效果越明顯；同時滑坡推力的增加與三排樁滑面處最大剪力值基本一致。綜上所述，對于尺寸相同的邊坡，采取同樣的加固措施，邊坡土質(zhì)越硬加固效果就越明顯，而邊坡土質(zhì)越軟加固效果就越差。

2.2 樁排數(shù)影響因素分析

以煤系地層邊坡為地質(zhì)條件背景，以樁間距1.0 m 為例，研究不同樁排數(shù)及樁布置方式對邊坡加固效果的影響。選取縱向中間的一列樁為研究對象，由左向右分別為1#樁、2#樁和3#樁。

2.2.1 樁身水平位移

水平位移50 mm條件下單排、雙排和三排樁樁身水平位移見圖7?？芍?，單排或者多排微型樁的錨固段水平位移很小，滑坡段樁身水平位移由滑帶向樁頂逐漸增大，最大水平位移發(fā)生在樁頂，約為38.85,37.94,36.90 mm；雙排樁和三排樁樁頂位移保持一致，但雙排樁中前排樁水平位移略大于后排樁水平位移；對于三排樁，樁身水平位移為最前排樁最大，向后依次減小。

圖7 單排、雙排和三排樁樁身水平位移

圖8 單排、雙排和三排樁樁身彎矩

2.2.2 樁身彎矩

不同地層條件下，樁間距為1.0 m的3種排樁模型在加載位移50 mm條件下的樁身彎矩見圖8?？芍?，單排樁樁頂彎矩幾乎為0；雙排樁和三排樁樁頂存在一定的彎矩，雙排樁前后兩排樁彎矩為反向；三排樁中最前排樁與后兩排樁彎矩為反向。這3種樁體的最大樁身彎矩均出現(xiàn)在滑帶附近，其最大值分別為11.3，15.4，15 kN·m。而單樁極限抗彎承載力為24.3 kN·m，說明此時樁身并未發(fā)生受彎破壞。

2.2.3 樁身剪力

水平位移50 mm條件下單排、雙排和三排樁樁身剪力見圖9?？芍?，單排樁樁頂處幾乎沒有剪力，雙排和三排樁樁頂存在較大剪力，前后兩樁樁頂剪力方向相反，絕對值大小幾乎相同，三排樁中間排樁樁頂剪力較前后兩排樁小，單排、雙排和三排樁樁身最大剪力發(fā)生在滑帶附近，分別達到28.2，26.3，24.3 kN。而單樁極限抗剪承載力為260 kN，此時樁身剪力還遠未達到破壞值。

圖9 單排、雙排和三排樁樁身剪力

2.2.4 滑坡推力與樁頂位移

不同排數(shù)的微型樁樁頂水平位移與滑坡推力的關(guān)系見圖10?？芍?，隨著加載水平位移的增加，樁頂位移逐漸增大。單排樁、雙排樁和三排樁的樁頂位移曲線比較接近。3類不同排數(shù)的樁體在模擬試驗過程中均遠遠小于樁體的極限抗剪承載力，說明樁體并沒有發(fā)揮抗滑作用，這可能是由于第1類土(煤系地層)邊坡巖質(zhì)較軟，微型樁加固效果并不明顯的原因所致。

圖10 不同滑坡推力下樁頂位移

2.2.5 結(jié)果討論

通過對樁排數(shù)的數(shù)值模擬分析，可以得到：①微型樁群破壞模式為抗彎破壞，一般最大彎矩發(fā)生在滑面附近。破壞從第1排樁開始，并逐步向后排樁發(fā)展，此時樁身剪力通常遠小于極限值。②隨著樁排數(shù)的增加，樁身水平位移逐漸減小，彎矩和剪力的變化趨勢不太明顯，在滑面處彎矩和剪力的差別不大，均遠遠小于單樁極限抗剪承載力，說明樁體在滑坡推力的作用下并沒有很好地發(fā)揮支擋作用，這可能是因為其在相對較軟的地層中不太適用，建議在較硬的地層中使用。

3 結(jié)論

1)邊坡滑體巖土強度越高，微型樁群與樁間土體整體移動趨勢越強，各排樁之間位移差距越小；強度越低，鋼花管樁群與土體之間相對位移越大，滑面以上樁身呈現(xiàn)整體傾斜型，各排樁之間位移差距加大。

2)邊坡滑體巖土強度越高，樁身達到最大彎矩所需的加載位移越小。邊坡滑體巖土強度越高，微型樁群能抵御滑坡推力越大。樁群抵御滑坡推力值與3排樁滑面附近剪力之和一致。第1、第2、第3排樁滑面處最大剪力比值為1∶(0.64～0.88)∶(0.48～0.75)，滑體越硬，第2、第3排樁相對第1排樁比值越大。

3)在軟弱地層條件下，設置多排豎直微型樁群的加固效果均不明顯，其最大彎矩和剪力均遠遠小于單樁極限抗剪承載力，說明樁體在滑坡推力的作用下并沒有很好地發(fā)揮支擋作用，故在軟弱地層不適宜設置多排豎直微型樁。