滑坡抗滑短桩的受力特性模拟研究.pdf

第 50卷第 5期2023年 9月Vol.50 No.5Sep.2023：29-35钻探工程Drilling Engineering滑坡抗滑短桩的受力特性模拟研究李乾坤1，2，蔡强1，2，梁炯1，2，张勇1，2（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734；2.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心，四川 成都 611734）摘要：抗滑短桩是滑坡常用的治理措施之一，应用较为广泛，但其承载机理尚不清晰。采用 FLAC3D模拟程序建立不同长度抗滑短桩加固滑坡的数值模型，分析滑坡模型变形特征以及抗滑短桩受力特性，进一步揭示抗滑短桩加固滑坡的受力特性。研究结果表明：（1）不同长度的抗滑短桩可显著提高滑坡的整体稳定性；（2）随着抗滑短桩桩长的增加，桩身受力趋于均匀，桩-土协同作用增强，滑体最大位移逐渐降低，但降低速率减小；（3）自由段桩长与滑体厚度比值2 mm 的颗粒质量超过滑体土总质量的 50%，使滑体土有一个良好的级配。再根据滑体土的干湿程度对其含水率进行适当调整，将土体的含水率控制在 10%20%。滑床和滑体经分层埋填、夯实之后，经测试，得到滑坡模型计算参数。抗滑桩短桩由桩（Pile）单元模拟18，模拟参数见表 2。为探究不同桩长 l 条件下的抗滑短桩承载e%MFPFPFP%XYZ图 1滑坡网格模型Fig.1Grid model of the landslide30第 50卷第 5期李乾坤等：滑坡抗滑短桩的受力特性模拟研究机理，共设计 6 种工况，桩长分别为无桩 0、50、60、70、80和 90 cm，其中 90 cm 为长桩，可用于对比抗滑短桩与长桩的加固的区别。对应自由段桩长与滑体厚度比值为 0、0.6、0.7、0.8、0.9 和 1.0。考虑到抗滑短桩在滑体中的最短长度不宜小于滑体厚度的 1/4，岩层嵌固段的深度不宜小于抗滑短桩总长的 1/41，锚固段长度为 0.3 l，抗滑桩直径 D为 30 mm，为了消除土拱效应，仅考虑单桩对边坡加固的影响，通常产生土拱效应的间距为（16）D，在本文中设定抗滑桩桩间距为 30 cm6D=18 cm。根据前期的模型试验，当滑坡上方堆加的荷载达到 94.95 kN 时滑坡开始出现变形破坏6，24，因此将滑坡上覆荷载设定为 94.95 kN，滑坡顶部的面积为 2.52 m2，换 算 成 均 布 荷 载 为 37.68 kPa，通 过FLAC3D中面荷载对滑坡模型施加该荷载。2数值模拟结果分析2.1模型整体位移分析图 2 是抗滑短桩在相同滑坡荷载下，不同桩长条 件 下 的 滑 坡 位 移 云 图 和 位 移 矢 量 图。由 图 2可知：（1）在无桩条件下，滑体沿滑面失稳破坏，楔形体前缘中部滑体剪出破坏（图 2a）。（2）当桩长为 50 cm（图 2b）和 60 cm（图 2c）时，滑体前缘上部形成贯通的滑面，对比无抗滑短桩的滑坡位移云图可知，加固后的滑坡滑体仅顶部产生局部破坏。（3）当桩长为 70 cm（图 2d）、80 cm（图 2e）和 90 cm（图 2f）时，滑坡未发生失稳现象，滑坡土体仅在抗滑短桩后发生一定的变形，表明桩-土协同作用显著。（4）如图 3所示，数值模拟记录了滑体最大位移随桩长的变化数据，图中显示，随着桩长的增加，模型整体位移呈减小趋势，但减小的幅度逐渐减小，表明增加抗滑短桩长度可增加滑坡稳定性，但对滑坡稳定性控制效果逐渐减弱。2.2土体应力分析滑坡土体的应力尤其桩周围土体的应力特征可用于分析桩-土协同作用情况，对于揭示抗滑短桩承载机理具有很大帮助。图 4为滑坡模型在不同桩长条件下的应力分布云图。如图 4所示，图中显示了滑坡模型分别在无桩，桩长为 50、60、70、80 和 90 cm 时的土体应力分布情况，由图中所示的应力分布情况可以得出以下结果：（1）如图 4（a）所示，无桩时模型的最大土应力集中于滑体前缘楔形体底部，这表明在无桩时滑体的抗滑阻力主要来自滑体前缘的阻滑段，结合模型位移图可知，依靠滑体前缘的阻滑作用不能保持滑体的稳定，在楔形体上部滑体会发生剪出破坏。（2）设置抗滑短桩后，如图 4（b）（f）所示，随着桩长的增加，滑体内阻滑部分明显增加，桩-土协同作用的效果较好，桩与桩周土体整体性更好，能够提供更大的阻滑力。（3）随着桩长的增加，桩后土压力变化显著，土压力的分布更加均匀，当桩长为 50、60 和 70 cm 时，桩体受力主要集中在桩顶附近，桩长为 80 和 90 cm时，桩体受力沿自由段均匀分布，桩体受力更加合理；其中桩长为 80 cm 时，桩体受力最小。2.3桩体位移分析图 5是不同长度的抗滑短桩在相同的试验荷载作用下桩体位移矢量图，图 5 可直观地展示桩体各部分的位移大小，位移矢量的箭头连线可以反映桩体的变形情况。（1）从图 5可以看出，桩体的位移沿深度近似为倒梯形分布，桩体的中上部位移基本为矩形分布，靠近滑面位置为倒三角形分布，滑面以下位移基本为零。（2）从图 5的位移最大值可以发现，随着桩长的增加，桩身的最大位移不断增加，且桩身位移有向下移动的趋势。表 1滑坡模型计算参数Table 1Calculation parameters of the landslide model土体滑床滑体体积模量/MPa156000.119剪切模量/MPa108000.109内聚力/kPa21内摩擦角/()601066103抗拉强度/Pa4824密度/(kgm-）28001800表 2桩单元计算参数Table 2Calculation parameters of the pile结构桩弹性模量/GPa3.9泊松比0.3周长/m0.0942截面积/0.000765极惯性矩/m44.9610-9312023年 9月钻探工程2.4桩体弯矩分析图 6是抗滑短桩在相同滑坡参数下不同桩长时的桩体弯矩变化云图，图中灰色部分表示桩体受拉，为正弯矩，黑色部分表示受压，为负弯矩。由弯矩云图可知：（1）桩身弯矩的分布受桩长影响明显，随着桩长的增加，桩身自由段正弯矩逐渐下移，而嵌固段负弯矩逐渐上移，并向滑面靠近.（2）当桩长为 50和 60 cm 时，桩顶附近并没有出现负弯矩，自由段桩身表现为受到滑坡推力作用，桩体表现为受正弯矩；当桩长分别为 70、80 和 90 cm时，桩顶负弯矩范围逐渐增大；桩长为 50、60 cm 时，;=;=02.51032.51035.01035.01037.51037.51031.01041.01041.251041.251041.51041.51041.751041.751042.01042.01042.251042.251042.51042.51042.69104;=;=1.01041.251041.251041.51041.51041.751041.751042.01042.01042.251042.251042.310310402.51032.51035.01035.01037.51037.51031.01041.01041.251041.251041.51041.51041.751041.751042.01042.01042.251042.251042.3103104;=;=02.01032.01034.01034.01036.01036.01038.01038.01031.01041.01041.21041.21041.41041.41041.554104DEKFPFKFPGKFPHKFPIKFP;=;=;=;=01.01031.01032.01032.01033.01033.01034.01034.01035.01035.01036.01036.01036.402210305.01025.01021.01031.01031.51031.51032.01032.01032.51032.51033.01033.01033.51033.51034.01034.01034.51034.51035.01035.01035.2746103;=;60 cm 时，滑体处于稳定状态，表明采用抗滑短桩治理滑坡是可行的。（2）随着桩长的增加，桩后土压力分布趋于均匀，桩体受力情况也更为理想，其中以桩长为 80 cm时，桩体受力最为理想。随着桩长的增加，桩土共同作用效果更为明显，抗滑短桩能调动更大范围的土体共同形成阻滑段，提高滑体稳定性。（3）桩体位移随桩长变化较为显著，桩长为 50和 60 cm 时，桩体自由段和嵌固端分别有不同方向的位移产生，即桩体有发生转动的趋势，而当桩长60 cm 时，桩体自身稳定性较好，能够充分发挥抗滑xmax=2.294cm;=xmax=2.340cm;=xmax=2.363cm;=xmax=2.378cm;=xmax=2.398cm;=DKFPEKFPFKFPGKFPHKFP图 5桩体位移矢量图Fig.5Displacement vector plot of the pile;=;=;=;=;=;=DEKFPFKFPGKFPHKFPIKFP-2.4350106-2.25106-2.25106-2.0106-2.0106-1.75106-1.75106-1.5106-1.5106-1.25106-1.25106-1.0106-1.0105-7.5105-7.5106-5.0105-5.0105-2.5105-2.5105001.9474105-2.488106-2.0106-2.0106-1.5106-1.5106-1.0106-1.0106-5.0105-5.0105005.01055.01056.5531105-2.4006106-2.0106-2.0106-1.5106-1.5106-1.0106-1.0106-5.0105-5.0105005.01055.01057.3686105-2.4383106-2.0106-2.0106-1.5106-1.5106-1.0106-1.0106-5.0105-5.0105005.01055.01057.8304105-2.4146106-2.0106-2.0106-1.5106-1.5106-1.0106-1.0106-5.0105-5.0105005.01055.01056.1205105-2.4382106-2.0106-2.0106-1.5106-1.5106-1.0106-1.0106-5.0105-5.0105005.01055.01056.5998105图 4滑坡土体应力分布云图Fig.4Soil stress distribution of the landslide%0FPKFP图 3滑坡模型最大位移变化Fig.3The maximum displacement of landslide model332023年 9月钻探工程性能；当桩长为 50 和 60 cm 时，桩顶附近并没有出现负弯矩，自由段桩身表现为受到滑坡推力作用，桩体表现为受正弯矩，当桩长为 70、80、90 cm 时，桩体弯矩在桩身范围内分布较为均匀，不存在弯矩过度集中的情况，桩体受力状态明显好于桩长为 50 和 60 cm 时。（4）桩长的增加可提高滑体的稳定性，有利于形成良好的桩-土协同作用效果，发挥桩周土体的抗滑作用，但随着桩长的增加，桩体最大位移和最大弯矩均有不同程度的增大，因此在兼顾抗滑承载力和桩体合理受力的前提下，桩体自由段和滑体厚度比值为 0.70.9时，抗滑短桩加固滑坡的效果最为理想。参考文献（References）：1 雷用，郑颖人，陈克勤.“抗滑短桩”概念及其受力影响探讨 J.地下空间与工程学报，2009，5（3）：608-615.LEI Yong，ZHENG Yingren，CHEN Keqing.Inquiring the concept and loading influence of short antisliding pileJ.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5（3）：608-615.2 刘中帅.抗滑键加固渝黔高速公路顺层岩质边坡模拟研究 J.重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（2）：49-54.LIU Zhongshuai.Simulation study on bedding rock slope reinforced by antislide pile in Yuqian ExpresswayJ.Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2017，36（2）：49-54.3 雷用，许建，郑颖人.抗滑短桩的适用条件研究 J.地下空间与工程学报，2010，6（S2）：1647-1651，1664.LEI Yong，XU Jian，ZHENG Yingren.Suitable conditions analysis of short antisliding pile J.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（S2）：1647-1651，1664.4 雷用，刘国政，郑颖人.抗滑短桩与桩土共同作用的探讨 J.后勤工程学院学报，2006，（4）：17-21.LEI 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