劉曉敏

(吉安市水利局，江西 吉安 343000)

1 數(shù)值模型

1.1 模型建立

河道邊坡典型剖面圖見圖1所示，根據(jù)典型剖面建立數(shù)值計算模型。假定開挖土體深度為10 m。建立模型時，為了減小應(yīng)力波在模型邊界反射造成的誤差，適當對建模范圍進行擴大。最終模型的長度為85 m，高度為40 m，頂寬為50 m。模型底部距坡底20 m。最終模型的網(wǎng)格總數(shù)為74 100個，節(jié)點個數(shù)為81 200。模型中抗滑樁采用pile單元進行模擬，樁間板采用shell單元模擬，樁土之間采用彈簧接觸。采用link對樁單元和樁間板進行連接[1-5]。

圖1 邊坡典型剖面圖

1.2 數(shù)值計算參數(shù)

模型的邊界條件為底部約束三個方向的自由度。左右兩側(cè)施加水平方向的約束，頂部為自由面。巖土體計算本構(gòu)采用摩爾-庫倫，抗滑樁采用線彈性本構(gòu)?？够瑯都皹堕g板采用C30混凝土。其中抗拉強度為2.5×106Pa，抗壓強度為2.5×107Pa。本文數(shù)值計算中巖土體及其他材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)取值

2 計算結(jié)果與分析

2.1 懸臂段巖土性質(zhì)對樁變形影響

為分析土體的抗剪強度參數(shù)對樁頂變形的影響，本文假定抗滑樁懸臂段和嵌固段均為10.0 m，樁徑為2.2 m，樁間距為5.0 m。分別計算了懸臂段土體不同內(nèi)摩擦角及不同的內(nèi)聚力大小變化對樁頂位移的影響。圖2匯總得到了內(nèi)摩擦角對樁頂變形的影響。當內(nèi)聚力保持不變，樁頂位移隨巖土體內(nèi)摩擦角的增大而減??；當巖土體的內(nèi)摩擦角不變時，樁頂變形隨內(nèi)聚力的增大而減小。當內(nèi)摩擦角<10°時，隨內(nèi)聚力的增大，樁頂位移基本線性減小；當內(nèi)摩擦角>10°時，隨內(nèi)聚力的增大，樁頂位移先減小后趨于平緩。證明當內(nèi)聚力增大到一定程度時，內(nèi)聚力繼續(xù)增大對樁的變形影響很小。此外，當內(nèi)聚力不變時，內(nèi)摩擦角對樁頂變形的影響基本與內(nèi)聚力對樁頂位移的影響一致。通過以上分析可知，當土體的抗剪強度指標小于某一數(shù)值時，樁頂位移變化速率比較快，當超出該臨界值時，樁頂變形基本保持不變。實際工程中應(yīng)做好排水工作，避免降雨導(dǎo)致巖土體抗剪強度指標迅速減小。

圖2 內(nèi)摩擦角對樁頂變形的影響

2.2 嵌固段深度及嵌固段巖土樁對變形影響

保持懸臂段巖土體的內(nèi)摩擦角為15°，內(nèi)聚力為20 kPa，樁徑為2.2 m，樁間距為4.5 m，懸臂段為10.0 m。計算嵌固段不同巖土體性質(zhì)下嵌固段深度對樁頂變形的影響(圖3)。對于不同的不良土體而言(圖3(a))，相同嵌固段深度下，土體強度參數(shù)越大，樁頂變形越小。相同巖土性質(zhì)下，樁頂變形隨嵌固段深度的增大而減小。但當嵌固段深度大于某一數(shù)值時，樁頂變形基本不隨嵌固段深度的增大而增大。嵌固段土體性質(zhì)越好，所需的臨界嵌固段深度越小。軟黏土最優(yōu)嵌固段深度為14.0 m，而硬黏土和碎石土基本為10.0 m。此外，對于軟塑狀黏土及硬塑狀黏土，當嵌固段長度小于6.0 m時，計算不收斂。證明樁體防護失效，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。圖3(b)表明，樁頂位移達到穩(wěn)定值與嵌固段巖土強度有很大的關(guān)系，其中嵌固段巖土強度越高，樁頂位移越小，如堅硬砂巖中，樁頂位移僅為3.7 cm。實際工程中可通過注漿措施增強嵌固段巖土強度來有效減少樁頂位移。綜合圖3結(jié)果來看，對于不同強度的巖體，所對應(yīng)的臨界或最優(yōu)嵌固段深度不同。嵌固段巖體性質(zhì)越好，所需的臨界嵌固段深度越小。軟泥巖最優(yōu)嵌固段深度為11.0 m，而較硬巖和堅硬巖對應(yīng)的最優(yōu)嵌固段深度為9.0 m。

圖3 嵌固段深度與樁頂變形的關(guān)系

2.3 抗滑樁尺寸及間距對樁變形影響

保持巖土體內(nèi)摩擦角為15°，內(nèi)聚力為20 kPa，懸臂段和嵌固段均為10.0 m不變，圖4(a)匯總得到樁截面尺寸和樁間距組合因素對邊坡加固效果的影響。結(jié)果表明，當樁徑保持不變時，樁頂位移隨樁間距的增大而減小，當樁間距保持不變時，樁頂位移隨樁徑的增大而減小。當相同樁徑下，當樁間距增大到一定值時，樁頂位移基本保持不變。對于不同的樁徑，對應(yīng)的最優(yōu)樁間距分別為4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m。圖4(b)得到樁徑變化對樁變形的影響。結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，樁頂位移隨樁徑的增大而減小。但當樁徑增大到一定程度時，樁頂位移基本保持不變。因此實際工程中，一味地增大樁徑來控制樁身位移并不經(jīng)濟。對于本文的研究而言，最優(yōu)的樁徑為2.8～3.0 m。

圖4 樁間距對樁變形的影響

圖5得到樁間距對樁變形的影響。結(jié)果表明，在樁間距與樁徑比值保持不變的情況下，樁頂位移隨樁間距增大而減小，證明減小樁間距對于控制樁頂變形的貢獻小于增大樁徑的貢獻，實際工程中通過增大樁徑控制樁頂位移的效果要比增大樁截面寬度效果更優(yōu)。對于本文的研究而言，最優(yōu)的樁間距為5.0～6.0 m。

圖5 樁徑對樁變形的影響

3 結(jié) 論

(1)當土體的抗剪強度指標小于某一數(shù)值時，樁頂位移變化速率比較快，當超出該臨界值時，樁頂變形基本保持不變。實際工程中應(yīng)做好排水工作，避免降雨導(dǎo)致巖土體抗剪強度指標迅速減小。

(2)相同嵌固段深度下，土體強度參數(shù)越大，樁頂變形越小。但當嵌固段深度大于某一數(shù)值時，樁頂變形基本不隨嵌固段深度的增大而減小。綜合來看，對于不同強度的土體，所對應(yīng)的臨界或最優(yōu)嵌固段深度是不同的。嵌固段土體性質(zhì)越好，所需的臨界嵌固段深度越短。本文中軟泥巖最優(yōu)嵌固段深度為11.0 m，而較硬巖和堅硬巖對應(yīng)的最優(yōu)嵌固段深度為9.0 m。

(3)當樁徑保持不變時，樁頂位移隨間距的增大而減小，當樁間距保持不變時，樁頂位移隨樁徑的增大而減小。相同樁徑下，當樁間距增大到一定值時，樁頂位移基本保持不變。因此實際工程中，無限制的減小樁間距和增大樁徑來控制樁身位移并不經(jīng)濟。對于本文的研究而言，最優(yōu)的間距為5.0～6.0 m，最優(yōu)的樁徑為2.8～3.0 m。