圆形截面h型抗滑桩最优桩排间净距的研究

圆形截面h型抗滑桩最优桩排间净距的研究

李松岩  张可 陈亮

中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610031

摘要：h型抗滑桩在边坡治理工程中的应用愈发广泛。现阶段，圆形截面h型抗滑桩的合理的桩排间净距是急切需要弄清的。基于此，本文结合实际边坡治理工程，利用有限元软件建立了不同桩排间净距的圆形截面h型抗滑桩支护边坡的模型，对不同桩排间静距的圆形截面h型抗滑桩的桩身内力、位移以及边坡治理效果进行分析，分析结果表明：（1）桩排间净距对圆形截面h型抗滑桩前后排桩的桩身最大剪力影响效果不同；（2）圆形截面h型抗滑桩桩排间净距为2D时，后排桩桩顶位移最小；（3）当桩排间净距为2D时，支护后的边坡稳定性最高，此时边坡最大位移为8mm，较天然工况下降低了81.8%；综合多种因素，推荐圆形截面h型抗滑桩桩排间净距为2D。

关键词：圆形截面h型抗滑桩；桩排间净距；边坡治理；数值模拟

引言

圆形截面h型抗滑桩是一种在边坡治理工程中广泛应用的支护形式，它具有结构简单、承载能力强、抗震性能好等特点。近年来，h型抗滑桩在实际边坡工程中得到广泛的应用。为此，许多学者对h型抗滑桩进行了大量的研究。宁宇等[1]利用自开发程序和有限差分法，对联合h型桩在滑坡体阻滑中应用进行了数值模拟研究，研究结果表明：h型抗滑桩联合支护在大型滑坡支护工程中效果明显，桩体能够承受更大抗滑阻力及变形且支护效果受桩体支护高程影响。胡世敬等[2]结合实例工程，利用BOTDA光纤测试技术，对h型抗滑桩滑坡推力进行了研究，研究结果表明：h型抗滑桩滑坡推力形式与传统单排抗滑桩滑坡推力形式存在明显差异。于航等[3]通过文献阅读，分别从理论、试验、数值模拟对h型抗滑桩的结构内力与土压力分布进行了总结分析，分析结果表明：h型抗滑桩治理中大型滑坡效果显著，应用前景较好。李卿[4]利用有限元软件Ansys Workbench，分别建立了h型抗滑桩支护边坡的模型，对h型抗滑桩的结构形式进行优化研究，研究结果表明：在相同条件下，正放h型抗滑桩和反放h型抗滑桩的最大变形值相差不大，但反放h型抗滑桩长、短桩的受力更合理。王羽等[5]利用有限差分法，分别建立滑动面上下的h型抗滑桩的差分方程，对h型抗滑桩的结构计算模型进行研究，研究结果表明：基于有限差分法求解的h型抗滑桩的位移、应力与试验结果基本吻合，证明了此方法的可靠性。

以上学者从多维度对h型抗滑桩进行了研究，然而缺少关于圆形截面h型抗滑桩最优桩排间净距的研究。基于此，本文结合实际边坡治理工程，利用有限元软件MIDAS GTS，建立不同桩排间净距的圆形截面h型抗滑桩治理边坡的模型，对h型抗滑桩的桩身内力、位移以及边坡治理效果进行研究。

1.工程概况

该实例边坡工程位于四川省达州市达川区，该地地处四川省东北部川东岭谷区，地势起伏较大，最低海拔385米，位于东经98°25′～100°02′和北纬24°08′～25°51′之间。此地属丘陵地貌，地势为西高东低。此地属亚热带温暖湿润气候区，雨量充沛，春早夏长，秋雨连绵，冬暖多雾，气候湿润的特点使得边坡易受降雨的侵蚀和地质灾害的影响。边坡上植被种类丰富，主要包括草地和灌木丛等，无大型直立树木。该实例边坡涉及的主要岩土体分别为粉质黏土、强风化泥岩、弱风化泥岩，三种主要的岩土体的分布均为全场地分布，但三种岩土体的层厚差异明显。同时，每种岩土体自身的厚度随位置的变化发生显著的变化。

在确定该边坡的最危险截面后，通过计算分析得出该边坡为中大推力滑坡，因此决定采用圆形截面h型抗滑桩对该边坡进行支护。圆形截面h型抗滑桩的桩径D=3m，前排桩桩长为26m，后排桩桩长为20m，h型抗滑桩的连梁截面尺寸为宽×高=2m×3m。h型抗滑桩所用钢筋的强度等级为HRB400，所用混凝土的强度等级为C30，成孔方式为机械成孔。边坡岩土体与抗滑桩物理力学参数如表1所示。

表1.边坡岩土体与抗滑桩物理力学参数

2.有限元模型

该实例边坡有限元模型采用软件MIDAS GTS进行建立，边坡有限元模型图如图1所示。有限元模型长为155m，左高为85m，右高为35m。在进行材料网格划分时，对不同材料选用不同的基本尺寸进行划分，其中粉质黏土的基本尺寸为1.5m，强风化泥岩的基本尺寸为2m，弱风化泥岩的基本尺寸为3m。在不同网格的接触处，共用有限元节点，以此保证接触处受力的连续性与均匀性。圆形截面h型抗滑桩的桩排间净距分别为1D、2D、3D、4D，在保证其他条件不变的情况下，针对不同桩排间净距的圆形截面h型抗滑桩支护边坡，分别设置对应的边坡稳定分析工况。同时，为对比边坡天然工况与支护工况的差异，单独设置该边坡在天然工况下的边坡稳定性分析工况。

图1.边坡有限元模型图

3.数值模拟结果分析

3.1抗滑桩桩身内力对比分析

不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩桩身最大弯矩如表2所示。由表2可得，随圆形截面h型抗滑桩桩排间净距的增大，后排桩桩身最大弯矩与前排桩桩身最大弯矩均呈现先增大、后减小的趋势；当桩排间净距等于3D时，圆形截面h型抗滑桩前后排桩桩身最大弯矩均达到最大值；桩排间净距小于3D时桩身弯矩的增大速率大于桩排排间净距大于3D时的桩身弯矩减小速率；不同桩排间净距下，圆形截面h型抗滑桩前排桩桩身最大弯矩明显大于后排桩桩身最大弯矩。

表2.不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩桩身最大弯矩

不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩桩身最大剪力如表3所示。由表3可得，随圆形截面h型抗滑桩桩排间净距的增大，后排桩最大剪力呈现先增大、后减小、再增大的趋势，桩排间净距为2D与4D时后排桩桩身最大剪力十分接近；随圆形截面h型抗滑桩桩排间净距的增大，前排桩桩身最大剪力呈现逐渐增大的趋势；当h型抗滑桩桩排间净距小于2D时，前排桩桩身最大剪力小于后排桩桩身最大剪力；当h型抗滑桩桩排间净距大于等于2D时，前排桩桩身最大剪力大于后排桩桩身最大剪力。

表3.不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩桩身最大剪力

3.2抗滑桩桩身位移对比分析

不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩桩身位移如表4所示。由表4可得，在一定范围内，随桩排间净距的增加，圆形截面h型抗滑桩后排桩桩顶位移呈现先减小后增大的变化趋势；当桩排间净距为2D时，后排桩桩顶位移最小，最小后排桩桩顶位移为3.9cm；在一定范围内，随桩排间净距的增加，圆形截面h型抗滑桩前排桩桩顶位移整体呈现逐渐减小的趋势。造成这种现象主要是因为随桩排间净距的增加，前排桩分担的滑坡推力相对减小，使得前排桩桩顶位移随之减小；通过对比圆形截面h型抗滑桩前后排桩桩顶位移可以发现，后排桩桩顶位移均明显大于其相对应的前排桩桩顶位移；当桩排间净距发生变化时，对后排桩桩顶位移的影响较对前排桩桩顶位移的影响更大。

表4.不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩桩身位移

3.3抗滑桩治理边坡效果对比分析

天然工况下边坡总位移云图如图2所示。由图2可得，在天然工况下，边坡坡面的位移较为明显，在粉质黏土区域越靠近坡面边坡总位移越明显；从坡顶至坡脚，边坡总位移整体上呈现逐渐增大的趋势，靠近坡脚位置处的坡面总位移最大，最大总位移为44mm，不满足工程安全的要求；边坡总位移大于20mm的区域占总区域的19.1%，所处位置主要为粉质黏土区域以及与粉质黏土接触面处的强风化泥岩区域；边坡总位移小于10mm的区域占77%，所处位置主要为弱风化泥岩与强风化泥岩区域以及少部分粉质黏土区域。通过对天然状态下边坡总位移的分析可知，该边坡在天然状态下的位移不满足安全要求。

图2.天然工况下边坡总位移云图

天然工况下边坡等效塑性应变云图如图3所示。由图3可得，在天然工况下，边坡等效塑性应变主要集中与粉质黏土与强风化泥岩交界处，边坡等效塑性应变区域具有一定的宽度；天然工况下边坡等效塑性应变是一个贯通的区域，此区域内，从上到下，边坡等效塑性应变呈现先增大后减小再增大的趋势，其中在坡脚处的增大趋势并不明显；边坡等效塑性应变就是边坡在极限状态下的潜在滑动面，等效塑性应变区域贯通，说明潜在滑动面贯通，同时结合该边坡天然状态下的稳定安全系数1.05可得，边坡处于极不稳定状态，需要采取必要的支护措施进行支护。

图3.天然工况下边坡等效塑性应变云图

不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩支护后边坡稳定性指标如表5所示。由表5可得，边坡经圆形截面h型抗滑桩支护后，边坡最大总位移较天然工况均降低68.2%；随圆形截面h型抗滑桩桩排间净距的增加，边坡稳定安全系数呈现先增大后减小的趋势，当桩排间净距为2D时，边坡稳定安全系数最大，边坡稳定安全系数为1.38，较天然工况下提升了31.4%；随圆形截面h型抗滑桩桩排间净距的增加，边坡最大总位移呈现先减小后增大的趋势，当桩排间净距为2D时，边坡最大总位移最小，此时边坡最大总位移为8mm，较天然工况下降低了81.8%；当桩排间净距在1D~2D范围内时，桩间净距的变化对边坡稳定性的影响较为明显，其影响程度较桩排间净距在2D~4D范围内时更大；通过对不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩对边坡稳定性影响的分析可得，过大或过小的桩排间净距都不能使支护后的边坡稳定性最优，在此工程中圆形截面h型抗滑桩桩排间净距为2D时，支护后边坡的稳定性最佳。

表5.不同桩排间净距圆形截面h型抗滑桩支护后边坡稳定性指标

4.结论

本文利用有限元软件MIDAS GTS，对不同桩排间净距的圆形截面h型抗滑桩的桩身内力、位移以及边坡治理效果进行分析，可得出以下几点结论：

（1）圆形截面h型抗滑桩桩排间净距对桩身剪力和弯矩的影响不同；当桩排间净距为2D时，圆形截面h型抗滑桩后排桩桩身最大剪力最小。

（2）当桩排间净距为2D时，圆形截面h型抗滑桩后排桩桩顶位移最小；当桩排间净距大于2D时，圆形截面h型抗滑桩前排桩桩顶位移基本相同。

（3）随圆形截面h型抗滑桩桩排间净距的增大，边坡支护后的稳定性先增大后减小；当桩排间净距为2D时，边坡稳定性最高，此时边坡稳定安全系数为1.38，较天然工况下提升了31.4%。

参考文献：

[1]宁宇,黄青富,郝李坤,石崇. 联合h型桩在滑坡体阻滑中应用数值模拟研究[J]. 科学技术与工程,2021,21(23):10004-10012.

[2]胡世敬,姜波. 基于BOTDA光纤测试技术的h型抗滑桩滑坡推力研究[J]. 公路交通科技(应用技术版),2020,16(08):86-88.

[3]于航,邢皓枫. h型抗滑桩结构内力及土压力分布研究[J]. 低温建筑技术,2020,42(05):96-100.

[4]李卿. h型抗滑桩结构形式优化分析研究[J]. 甘肃水利水电技术,2019,55(12):39-41+44.

[5]王羽,赵波,王强,华祥瑞,翟永超. 基于有限差分法的h型抗滑桩结构计算模型[J]. 防灾减灾工程学报,2015,35(04):464-470.