基于ABAQUS的不同倾角水库边坡抗滑桩支护效果研究

李 雯

(甘肃省酒泉市瓜州县水务局,甘肃 酒泉 736100)

1 概 述

近年来,抗滑桩在地下工程中得到广泛应用。然而在实际工程中,抗滑桩的支护经常出现支护失效的现象,甚至造成抗滑桩本身的破坏[1]。影响抗滑桩支护效果的因素很多,如抗滑桩桩长、桩径、桩间距、桩类型,以及地层的稳定性和土体的强度、密度等参数会直接影响抗滑桩的支护效果[2-3]。

抗滑桩的设计主要涉及两个方面:抗力设计和几何形状设计。抗力设计包括计算抗滑桩所需的承载力和滑移力,以确定抗滑桩的尺寸和深度。几何形状设计则包括抗滑桩的长度、直径、间距和形状等[4]。为此,应将保证抗滑桩对坡面的加固效果(即坡面安全系数)和降低抗滑内力,作为对抗滑桩进行参数优化设计时的优化标准[5]。近几年,对抗滑桩参数分析,许多学者做过深入研究。王聪聪等[6]利用数值方法对边坡中抗滑桩的加固效果进行分析,对边坡稳定系数、临界滑移面、桩体内力、变位响应等因素的影响进行了设桩位置、桩长等方面的探讨,结果显示在边坡中部上部设桩则更有利于边坡稳定性。朱泳等[7]利用有限差分数值模拟软件FLAC,采用强度折减有限元法,分析了抗滑桩加固边坡稳定性的若干因素,得出了与抗滑桩加固边坡稳定性状态相对的桩位、桩长等因素的影响规律。

目前,大多数抗滑桩的参数优化研究都集中在竖桩领域,很少有斜桩方面的研究。基于此,本文利用数值模拟软件ABAQUS,通过不同设桩位置和倾斜角度,研究抗滑桩加固坡面的效果和自身内力的影响,得出合理的桩位和倾角;然后将倾斜桩与同桩位置的竖直桩进行对比,分析针对抗滑桩加固坡面效果的因素,如桩间距、桩长、桩体弹性模量等方面的影响,研究结果可为边坡抗滑桩的设计提供参考与借鉴。

2 工程概况

某水库位于山谷内,沿岸为高陡边坡。根据现场勘察结果,该边坡土体岩性为碎石土,碎石粒径3～20cm,碎石含量约35%。该路基边坡各岩土层物理力学性质见表1。

表1 边坡土体物理力学参数

3 边坡数值模型建立

利用ABAQUS软件,建立典型二维边坡模型。在边坡中布置抗滑桩几何参数为:边坡水平长度15m,坡高10m,边坡坡度1:1.5。在数值模拟计算中,采用Mohr-Coulomb准则作为失稳判据。前后、左右两端采用法向约束,底部保持固定,见图1。

图1 边坡抗滑桩示意图

4 抗滑桩优化设计

抗滑桩设计除了要保证其加固效果,还要考虑合理设计,以降低施工费用。可采用防滑桩加固后的坡面安全系数,表示抗滑桩对坡面的加固效果。在不同布设方式条件下,同一抗滑桩的设计成本可以间接反映为抗滑桩的内力峰值。本文所计算的抗滑桩内力主要是指抗滑桩的弯矩峰值,考虑到抗滑桩主要受弯破坏的特性。

4.1 抗滑桩倾角对抗滑效果的影响

由图2可知,当桩位为2/6、3/6、4/6处时,边坡的安全系数随桩的倾角增加呈现出先增后减的变化趋势。由图2可以看出,当倾角25°时,安全系数最大。当桩位为5/6时,边坡的安全系数最小,并且随桩倾斜度的增加,坡面安全系数也逐渐降低,影响加固效果。这主要是由于边坡的滑体大多位于抗滑桩的桩前,当桩位为5/6时,抗滑桩对边坡的支护效果迅速降低。

图2 边坡安全系数与抗滑桩倾角变化情况

4.2 抗滑桩倾角对边坡支护效果影响分析

当边坡不稳定时,抗滑桩将承受较大的内力,尤其是力矩。抗滑桩所受应力增加,会提高设计成本。因此,需要进一步研究桩倾角对抗滑桩所受内力(尤其是力矩)的影响。

图3中,在桩位为3/6、桩间距为桩径3倍的垂直桩模型作为参考,分析抗滑桩倾角的变化对桩身扭转力矩的影响。由图3可以发现,不同倾角的抗滑桩在桩的中部和下部具有不同的扭转峰值。

图3 不同工况下抗滑桩弯矩

由图4可知,随着桩倾角的增加,抗滑桩在倾角为-30°和60°的扭转峰值先增大后减小,扭转峰值的变化速度增加。当抗滑桩的倾角为30°时,桩身达到最大弯矩,桩倾斜度的增加会导致桩截面在荷载作用下承受更大的弯矩。当桩倾角超过30°时,滑坡的位移量减小,导致抗滑桩承受的滑动力较小,因此抗滑桩所受的内力也相应减小。图4显示,当桩位为4/6时,抗滑桩的弯矩峰值在-30°的倾角处最小,而在桩位为2/6处时达到最大值。通过比较抗滑桩在不同工况下的弯矩峰值发现,桩位为4/6、倾角为-30°时的抗滑桩设计效果最好,此时桩身的扭矩峰值远小于其他工况下的扭矩峰值。因此,对于倾角为-30°的倾斜桩,应采用4/6的桩位,可有效降低抗滑桩的内力峰值,在保证对边坡良好的加固效果同时,还能达到较低的设计施工成本。

图4 抗滑桩弯矩峰值与倾角关系

4.3 竖直桩与倾斜桩对比

抗滑桩的桩间距也会影响边坡的加固效果。当桩间距过大时,会使土拱效应难以形成,降低支护效果;当桩间距过小时,则会提高经济成本。为研究抗滑桩合适的桩间距,取倾角为-30°、桩位4/6的边坡模型,分析桩间距为3～7倍桩径下的支护效果。图5显示,斜桩与竖桩经过加固边坡后,随着桩间距的增大,减幅先快后慢,安全系数都在逐渐降低,这主要是由于桩与桩之间的土拱作用随着桩与桩之间的距离越来越大而逐渐减弱。斜桩加固边坡,倾角-30°的安全系数值比竖桩降低30%。

图5 安全系数随抗滑桩间距关系

为了分析桩间距对倾斜抗滑桩受弯状态的影响,分别计算桩位2/6、4/6时的受力大小,并将倾斜桩桩身弯矩峰值与竖直桩同桩位对比分析,倾角-30°条件下的抗滑桩加固坡后的桩身弯矩峰值随桩间距变化趋势见图6。由图6可知,倾角-30°的抗滑桩,由于桩身的倾斜方向与滑体的下降方向相反,既受左下侧滑体的下降推力,又受桩前土体的重力作用,从而在受力方面与悬臂梁差异较大,故桩身的弯矩左上部分为负、右下部分为正。此外,倾斜桩所承担的桩身弯矩峰值的增长率,随着桩间距的增长,比竖直桩所承受的桩身弯矩峰值的增长率要小。

图6 弯矩峰值与桩间距关系

4.4 桩长影响边坡稳定性

改变抗滑桩的桩长,对桩长分别为16、12、10、8m的竖桩和斜桩进行分析,结果见表2。

表2 不同抗滑桩长与安全系数关系表

从表2可以看出,虽然相对于倾斜抗滑桩,桩长对竖桩锚固段长度的影响更为显著,但随着桩长的增长,竖桩和斜桩加固边坡后的安全系数都有所增加。此外,当桩长达到12m后,再延长桩长,边坡安全系数增长变缓。这表明在满足嵌固深度要求的情况下,继续增长的桩长很难提高其加固边坡的效果,在抗滑桩加固边坡工程中存在有效的嵌固深度。

5 结 论

本文通过数值模拟技术,建立二维边坡抗滑桩数值模型,对不同倾角的抗滑桩对边坡稳定性的影响进行研究。结论以下:

1)当桩位为4/6时,抗滑桩的倾角在-30°时弯矩峰值最小;在桩位为2/6处时,弯矩峰值达到最大值。比较抗滑桩在不同工况下的弯矩峰值发现,桩位为4/6、倾角为-30°时的抗滑桩加固效果最好。

2)斜桩与竖桩经过加固边坡后,随着桩间距的增大,减幅先快后慢,安全系数逐渐降低,且斜桩加固边坡,倾角-30°的安全系数值比竖桩降低30%。在桩间距一定的条件下,随着桩长的增长,当桩长达到12m后,边坡安全系数增长变缓,在满足嵌固深度要求的情况下,桩长增加对边坡加固的效果不显著。