边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究.pdf

第 卷第 期 年 月 山 东 建 筑 大 学 学 报 .收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金项目()作者简介:孙剑平()男 教授 硕士 主要从事深基坑支护等方面的研究.:.通讯作者:./.边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究孙剑平 张潇丽何天武吴圣智 孟祥旭(.山东建筑大学 土木工程学院 山东 济南 .山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司 山东 济南)摘要:在滑坡治理工程中倾斜微型桩群可以提高边坡稳定性研究倾斜微型桩的受力特点可为实际工程中微型桩的设计提供参考依据 基于有限元强度折减法分别对竖直和倾斜微型桩群支护下的边坡进行了模拟分析探讨了微型桩倾斜角度对其受力特点的影响 结果表明:倾斜微型桩群比竖直微型桩群具有更好的支护效果竖直微型桩群与倾斜微型桩群抗滑机制不同前者在抵抗滑坡推力时表现为三排桩协同受力各排微型桩受力与变形一致而后者在支护过程中形成一个刚架结构其中迎土侧微型桩倾斜将受到的部分水平推力通过连梁传递至背土侧微型桩背土侧微型桩则借助倾斜角度为迎土侧微型桩提供支撑以抑制桩体与土体的整体滑移从而提高了边坡的稳定性关键词:倾斜微型桩边坡加固抗滑机理倾斜角度承载机制中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:山 东 建 筑 大 学 学 报 年 引言滑坡是指岩体或土体在自身重力下发生整体下滑的一种自然灾害在公路建设、山体加固和其他安全防治工程中边坡的治理始终是一个不容忽视的环节 目前在边坡的治理中常用的方法主要有注浆加固、挡墙加固、抗滑桩加固、锚杆加固、土钉加固、预应力锚索加固以及预应力锚索抗滑桩组合加固等 微型桩作为一种小直径桩早期主要用于地基处理和加固工程中由于微型桩具有施工机具小、桩位布置灵活、施工速度快、振动小、适应性强、对环境影响小等优点近年来已逐渐应用到边坡加固、基坑支护及滑坡治理中微型桩最早是由 提出的许多国家早已展开了微型桩的试验和研究并取得了一系列研究成果 微型桩加固边坡的内力计算方法和桩间距的选取等问题已有了详细介绍钢管群桩的力学性能和受力特点也有了相关说明并已提出钢管桩结构的设计方法目前国内微型桩主要应用于建筑物纠倾加固和基坑支护工程中关于微型桩边坡治理的研究较少近年来许多学者逐渐开始对边坡加固中的微型桩开展试验研究及理论分析孙书伟等通过模型试验对比了单排抗滑桩和竖向微型桩群的受力特性结果表明微型桩群与抗滑桩一样都具有良好的承载力在工程中可考虑采用微型桩群代替抗滑桩辛建平等通过对比单排和三排竖直微型抗滑桩在黏性土坡中的加固效果得到三排微型桩比单排微型桩具有更好的加固效果的结论另外辛建平等还通过数值模拟的方法发现岩质边坡、土质边坡和岩土混合边坡中竖直微型抗滑桩抗滑机制和破坏形式的不同岩土混合边坡桩体主要在滑面处和滑面以上分别发生弯剪破坏和弯曲破坏岩质边坡桩体主要发生滑带处错动引起的剪切破坏土质边坡桩体主要在滑带两侧发生弯曲破坏胡毅夫等对比了设置和不设置连梁时的双排竖直微型桩的支护效果发现设置连梁后的微型桩结构具有更高的承载力孙书伟等通过试验研究了连梁连接下双排竖直微型桩的相关模型发现迎土侧微型桩所受滑坡推力大于背土侧微型桩在滑动面以上微型桩所受下滑力近似为梯形分布而滑动面以下的下滑力近似为三角形分布闫金凯等、朱怀银通过模型试验和数值模拟也得出了与此相同的结论 以上试验研究和理论分析均是针对竖直的抗滑微型桩没有考虑倾斜微型桩的受力情况及分布规律郑刚等发现在进行基坑支护时桩身会产生一定倾斜但不会降低桩的支护效果反而能够减小桩的水平位移王洋等等将倾斜微型桩用于边坡工程中依托广大线(广通至大理铁路线)扩能改造工程检测了“八”字形微型桩组合抗滑结构的轴力研究了该种桩型在开挖卸载条件下的受力机制林旺照等研究了向同一方向倾斜的微型桩群加固边坡的安全性发现将微型桩设置在边坡中下位置加固效果最好微型桩的最优倾斜角度为 既往研究虽明确了倾斜微型桩可以提升其承载能力但未能给出边坡加固中倾斜角度对微型桩承载能力的影响机制 对此文章采用有限元软件模拟探讨了竖直微型桩和倾斜微型桩在受力模式、破坏特征和抗滑机理等方面的异同为滑坡治理中的微型桩设计提供了参考 土质边坡试验模拟验证.模型建立为精确对比倾斜微型桩群和竖直微型桩群的受力模式选取材料参数明确、研究思路清晰、且适用于研究微型桩受力特点的土质边坡进行模拟验证利用 有限元软件模拟得出微型桩的弯矩变化规律对比模拟与模型试验的结果以说明研究方法的有效性 是世界上计算功能最强的非线性有限元分析软件之一包含非常丰富的单元类型能够较好地模拟大多数典型的工程材料可以解决许多实际工程中的复杂问题 对于类似桩土相互作用的岩土工程问题只需设置好相关问题的结构尺寸、材料参数、边界条件、荷载工况等便可进行计算分析得到其高精度解 根据文献中模型试验参数建立如下有限元模型:几何尺寸为.其桩长为.、桩径为 沿推力方向分别为、桩 模型尺寸如图()所示为了简化建模和计算过程因模型具有对称性故取半结构进行分析桩和土体的各项参数与原模型试验中材料参数取值相同土夯实后的密度为./桩顶采用 连系梁连接具体计算模型参数见表 土体采用弹塑性摩尔库伦模型桩采用理想弹性材料桩与土之间采用摩擦连接摩擦系数.(为内摩擦角()单 第 期 孙剑平等:边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究 元类型为八节点六面体单元()计算中采用减缩积分以避免沙漏现象网格划分如图()所示图 文献模型示意图表 模型参数表材料弹性模量/泊松比 黏聚力/内摩擦角/()密度/()滑床.滑带.滑体.桩.模型采用强度折减法分析强度折减公式可由式()和()表示为()()式中 为强度折减后土体的黏聚力 为强度折减前土体的黏聚力为强度折减系数为强度折减后土体的内摩擦角 通过不断增加强度折减系数 对边坡的黏聚力 和内摩擦角 值的折减相应降低边坡的抗剪强度直至边坡失稳最终导出微型桩内力.结果分析 模拟所得的微型桩弯矩及模型试验所得的弯矩如图 所示通过对比可以发现模拟所得弯矩的变化规律与试验基本一致 在设置滑弧面的情况下三排微型桩所受弯矩较为均匀且沿桩深度都呈“”形滑弧面以上产生的弯矩大于滑弧面以下弯矩的反弯点近似位于滑弧面处模型试验和 模拟所得微型桩最大弯矩对比见表 桩试验所得最大弯矩为.、模拟所得最大弯矩为.其误差为.桩试验所得最大弯矩为.、模拟所得最大弯矩为.其误差为.桩试验所得最大弯矩为.、模拟所得最大弯矩为.其误差为.图 弯矩结果对比图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年表 试验与模拟结果最大弯矩对比表桩号试验结果/()模拟结果/()误差/.由此可知该方法的数值模拟值与辛建平等采用模型试验所得的弯矩变化规律基本一致且其误差均时边坡安全系数较 和 时略有减小但仍大于微型桩倾角为(竖直微型桩)时的安全系数图 安全系数随倾角变化关系图 第 期 孙剑平等:边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究 .桩身弯矩分析为研究微型桩倾角对桩身弯矩的影响将桩身倾角为 的微型桩的桩身弯矩绘出如图 所示可知:()无论竖直还是倾斜的微型桩桩身弯矩均为反“”形分布桩身弯矩反弯点位于桩身中间位置当倾角在 范围内时所有微型桩滑弧面以上的弯矩均大于滑弧面以下的弯矩()微型桩所受弯矩随两侧微型桩倾角增大而增大 微型桩倾角为 时的最大弯矩为 而微型桩倾角为时的最大弯矩达到了 其比倾角为 时的微型桩(竖直微型桩)增加了约 倍()竖直微型桩的弯矩分布规律不同于倾斜微型桩 当三排桩均为竖直桩时各排微型桩所受弯矩大小相近桩身弯矩变化趋势相似而对于倾斜微型桩随微型桩倾角增大迎土侧微型桩产生的弯矩逐渐增大中间微型桩次之背土侧微型桩弯矩略有增大但增加的并不明显图 不同倾角下各排微型桩弯矩图.桩轴力变化微型桩倾角对桩轴力的影响如图 所示可以发现:()微型桩的轴力都呈近似斜直线分布()倾斜角度为 时三排微型桩的轴力大小相近分布形式相同轴力均为正值说明微型桩均处于受压状态随两侧微型桩倾角增加迎土侧微型桩和中间微型桩所受轴力逐渐变为负值即桩身内力逐渐由压力变为拉力()随微型桩倾角增大背土侧微型桩所受轴力越大微型桩倾角为 时背土侧微型桩轴力约为桩身倾角为 时微型桩轴力的 倍与另外两排微型桩轴力差距越明显根据微型桩轴力变化规律可以看出背土侧微型桩所受到轴力始终为正值即微型桩始终受压且压力值随倾角增加而增大中间和迎土侧微型桩轴力由正值逐渐变为负值说明微型桩轴力由压力逐渐转变为拉力其值随微型桩倾角增加而增大主要原因为微型桩受到水平荷载时迎土侧倾斜的微型桩将受到的部分水平推力转变为轴向拉力并通过桩顶连梁传递给背土侧微型桩导致背土侧微型桩受压微型桩倾角越大水平荷载沿微型桩产生的轴向分量越大因此背土侧微型桩受到的压力也会越来越大 山 东 建 筑 大 学 学 报 年图 不同倾角下各排微型桩轴力图.剪力变化不同倾角下各排微型桩剪力如图 所示可以发现:()剪力均在滑弧面处达到最大值()微型桩产生的剪力随倾斜角度的增加而增大当倾角为 时倾斜微型桩的最大剪力为 约为竖直微型桩最大剪力的 倍()当微型桩竖直时各排微型桩所受剪力大小规律为背土侧微型桩中间侧微型桩迎土侧微型桩随倾斜角度增加迎土侧微型桩受到的土压力增大各排微型桩所受剪力大小规律变为背土侧微型桩迎土侧微型桩中间侧微型桩图 不同倾角下各排微型桩剪力图 第 期 孙剑平等:边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究 .连梁内力分析对比竖直微型桩和倾斜微型桩连梁中内力的变化情况分别选取桩身倾角为 和 的微型桩进行分析连梁弯矩、剪力和轴力的对比如图 所示 由此可以看出连梁的轴力和剪力均呈阶梯型分布并在与微型桩连接的地方产生突变倾斜角度为 时连梁的轴力、剪力、弯矩均远大于倾斜角度为 时的微型桩 通过对比二者受力差异可知与竖直微型桩相比倾斜微型桩中 根微型桩在连梁的连接下形成了一个刚架迎土侧微型桩受到的水平力有一部分通过连梁传递给了后两排桩在后两排桩的支撑下这种微型桩组合结构的支护能力得到了明显提高图 连梁弯矩对比图图 连梁剪力对比图图 连梁轴力对比图 抗滑机理分析.微型桩变形分析为了进一步研究倾斜微型桩的变形特点和抗滑机理导出不同倾角下的桩身米塞斯应力图 米塞斯应力是以第四强度理论为依据综合考虑第一、二、三主应力认为当材料的变形能在达到一定程度时就会进入塑性状态根据米塞斯应力图可快速确定微型桩的最危险区域极限状态下不同倾斜角度微型桩的米塞斯应力云图如图 所示主要分为竖直微型桩结构和倾斜微型桩结构两种情况对于竖直微型桩结构三排微型桩的变形近似相同所有桩在桩顶连梁作用下协同受力向同一方向倾斜滑弧面以上和滑弧面以下的微型桩分别在滑坡推力和土体抗力作用下产生了方向相反的弯曲变形对于倾斜微型桩结构迎土侧的微型桩承担了较多的力产生了明显的弯曲变形中间桩和背土侧微型通过倾斜角度为迎土侧桩提供支撑桩身变形较小仅在滑弧面以上发生了轻微弯曲图 不同倾斜角度下微型桩应力云图 山 东 建 筑 大 学 学 报 年 对比图()()中的应力值可知当倾角为时微型桩最大应力为./发生在背土侧桩当倾角分别为、时最大应力均发生在迎土侧微型桩处其应力大小分别为.、.、./即微型桩倾斜角度越大迎土侧微型桩产生的应力和弯曲变形也越大根据微型桩所产生的变形和应力情况可知倾斜微型桩群的迎土侧微型桩作为主要受力桩可以看作桩身嵌固于滑弧面以下上部承受均布土压力的受弯构件背土侧微型桩通过连梁将支撑力传递至迎土侧微型桩顶限制其水平位移提高了微型桩群的承载能力.滑弧面变化分析为了分析不同微型桩倾斜角度对边坡滑弧面的影响取倾角为 的微型桩群(竖直微型桩群)和安全系数最高(倾角为)的微型桩群进行分析边坡等效塑性应变云图如图、所示 无微型桩支护情况下边坡首先在坡脚处产生滑动失稳现象随折减系数不断增大滑弧面不断向上延伸至坡顶直至产生完整滑面 采用微型桩支护后微型桩依靠其抗弯和抗剪强度阻止上部土体向下的失稳变形提高了边坡的安全性图 微型桩倾角为 时边坡滑移面发展示意图图 微型桩倾角为 时边坡滑移面发展示意图 图()和()为不同倾斜角度下边坡安全系数.时的等效塑性应变云图边坡安全系数相同意味着强度折减系数相同此时竖直微型桩支护的边坡与倾斜桩支护的边坡土体处于同一抗剪强度微型桩群所受的下滑力相同 通过对比可知竖直微型桩群支护下边坡的最大塑性应变为.大于倾斜微型桩群支护下的边坡塑性应变.倾斜微型桩群支护下边坡的塑性应变更小 当边坡强度不断折减直至破坏等效塑性应变云图如图()和()所示竖直、倾斜微型桩群支护下边坡的安全稳定系数分别为.和.倾斜微型桩群支护下的边坡更稳定 但由于折减系数 越大土体的黏聚力 和内摩擦角 越小抗剪强度越低因此计算终止时倾斜桩群支护下边坡的塑性应变大于竖直桩群支护下边坡的塑性应变对比破坏时竖直微型桩和倾斜微型桩支护下的边坡塑性应变云图可以看出对于三排竖直微型桩折减过程中桩前和桩后产生的等效塑性应变值近似相等形成的连续滑弧面从坡脚一直延伸到坡顶而对于倾角为 的微型桩各排微型桩前产生的等效塑性应变大小不同 在倾斜微型桩的支护下迎土侧微型桩主要承担了上部土体下滑产生的土压力背土侧微型桩主要承担了桩前的滑体抗力因此在迎土侧微型桩的桩后和背土侧微型桩的桩前产生了较大的等效塑性应变由于迎土侧和背土侧微型桩在刚架作用下抵挡住了大部分荷载三排微型桩的中间产生的等效塑性应变值较小边坡的连续滑弧面被隔断有效阻止了失稳土体向下滑动的趋势从而提高了土坡的稳定性 因此采用倾斜微型桩群的支护效果优于全竖直微型桩 第 期 孙剑平等:边坡加固中倾斜微型桩抗滑机理研究 结论通过研究不同倾角微型桩的内力和承载机制得出以下主要结论:()倾斜微型桩群的支护效果优于全竖直微型桩随着倾斜角度的增加边坡安全系数先增大后减小边坡倾角为 时微型桩的最优倾角为()对于竖直微型桩群在下滑力作用下三排微型桩都在滑弧面处产生弯曲变形桩顶产生了沿推力方向的平移每排桩所受的轴力、剪力和弯矩大小近似相等三排微型桩受力与变形一致()对于倾斜微型桩群迎土侧的微型桩变形与受力明显大于后两排微型桩且内力值随着倾斜角度的增加而增大 倾斜微型桩群的受力模式为迎土侧微型桩作为主要受力构件承担了较多土压力桩身倾斜将受到的部分土压力通过连梁传递给背土侧微型桩背土侧微型桩则通过倾斜角度为迎土侧微型桩提供支撑三排桩形成一个刚架共同抑制桩体与土体的整体滑移提高边坡稳定性参考文献:李凯.抗滑微型桩物理模型试验研究.西安:长安大学.李坚.微型桩与堆积层滑坡相互作用机理及土拱效应研究.西安:长安大学.王开洋 李亚军 李果 等.二次注浆竖向钢花管微型桩水平承载能力试验研究.岩石力学与工程学报():.郭道通孙剑平高翔等.桩侧扰动降阻纠倾施工控制技术应用.施工技术():.孙川魏焕卫王建强等.某变电站沉降原因分析及微型桩托换加固设计.山东建筑大学学报():.陈启辉宋金平江宗宝等.微型桩与部分预应力复合土钉变形因素分析.山东建筑大学学报():.孙书伟朱本珍马惠民等.微型桩群与普通抗滑桩抗滑特性的对比试验研究.岩土工程学报():.辛建平唐晓松郑颖人等.单排与三排微型抗滑桩大型模型试验研究.岩土力学():.辛建平郑颖人唐晓松.基于弹塑性模型的微型抗滑桩破坏机制研究.岩石力学与工程学报():.胡毅夫王廷勇马莉.微型抗滑桩双排单桩与组合桩抗滑特性研究.岩石力学与工程学报():.孙书伟朱本珍马惠民.框架微型桩结构抗滑特性的模型试验研究.岩石力学与工程学报():.闫金凯殷跃平门玉明等.滑坡微型桩群桩加固工程模型试验研究.土木工程学报():.朱怀银.多排微型桩边坡加固的效果分析.铁道建筑():.郑刚白若虚.倾斜单排桩在水平荷载作用下的性状研究.岩土工程学报():.郑刚王玉萍程雪松等.基坑倾斜桩支护性能及机理大型模型试验研究.岩土工程学报():.王洋冯君谢先当等.微型桩组合抗滑结构受力机制的现场试验研究.岩石力学():.林旺照李帅.微型桩不同设桩方案对边坡影响的数值模拟研究.公路():.费康彭劼.岩土工程实例详解.北京:人民邮电出版社.(学科责编:邢鲁义)