不同桩排间净距的h形抗滑桩的数值模拟研究.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2022-11-23作者简介 张 虹(1988-),女,浙江东阳人,工程师,主要从事水利水电工程测量工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.019不同桩排间净距的 h 形抗滑桩的数值模拟研究张 虹(深圳特别合作区土地整备局,广东 深圳 518000)摘 要目前,普通单桩已无法满足大推力滑坡的治理,采用 h 形抗滑桩支护十分必要。针对 h 形抗滑桩的桩排间净距对边坡治理效果及桩身内力是否有影响,结合具体大推力滑坡治理工程,利用有限元软件,在保证滑坡推力相同的同时,建立 h 形抗滑桩的边坡支护模型,并进行不同桩排间净距分组,进而对不同分组的支护效果与抗滑桩内力进行研究。结果表明:在相同滑坡推力作用下,桩排间净距对支护效果有显著影响,桩排间净距为 2H 时,边坡最稳定,稳定安全系数提高 30.19%。桩排间净距为 2H 时,对前后排桩内力的分配较为均匀,更能充分发挥其整体作用。研究成果可为类似滑坡治理时,h 形抗滑桩的选用与设计提供参考。关键词h 形抗滑桩;大推力滑坡;数值模拟;桩排间净距;内力分析中图分类号 TU473 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0092-041 概 述抗滑桩具有桩位设置灵活、对滑体扰动小等优势,在边坡治理中得到广泛应用。但随着实际大推力滑坡工程的出现,普通抗滑桩已无法满足实际工程抗滑能力的需求。而 h 形抗滑桩由于其独特的结构形式,常常被用于治理大推力滑坡。目前,许多学者对 h 形抗滑桩进行了相关研究。罗勇等1分别采用传统的深部位移测试手段和先进的 BOTDA 光纤传感测试技术,对 h 形抗滑桩在整个治理滑坡过程中的变形与内力响应进行测试,结果表明,在治理特大型滑坡过程中,h 形抗滑桩具有显著的效果。李兵等2通过数值模拟技术,对圆截面 h 形抗滑桩组合结构受力和变形进行了分析,结果表明,圆截面 h 形抗滑桩前后排桩与连梁形成空间结构,使其变形减小,并能够承受更大的滑坡推力。赵玉博等3运用 FLCA3D 软件,分别对单桩与 h 形抗滑桩支护后的边坡进行了分析,结果表明,h 形抗滑桩支护后位移量较单桩减少 92.3%,支护效果更明显。宁宇等4通过 h 形桩耦合数值模型,对不同高程的支护效果进行了研究,结果表明,支护高程对支护效果有明显的影响,支护效果最佳位置在边坡中部。王晨涛等5通过平面刚架模型与弹性地基梁理论,对 h 形抗滑桩的内力进行了分析,结果表明,采用该分析方法的 h 形抗滑桩内力理论计算值与现场桩体监测值基本吻合。以上研究均未涉及对 h 形抗滑桩最优前后排桩排间净距的研究,一定限度上影响了 h 形抗滑桩在实际工程中的选用。基于此,本文针对某大推力滑坡工程,利用有限元软件 MIDAS GTS,建立数值模拟分析模型,分析在不同前后排桩排间净距时,h 形抗滑桩的支护效果与其内力,并确定最优桩排间净距,为类似工程中 h 形抗滑桩的29张 虹:不同桩排间净距的 h 形抗滑桩的数值模拟研究第 9 期设计提供参考。2 工程概况该边坡由风化土、风化岩、基岩所构成,最危险截面见图 1;各岩土体物理力学参数见表 1。经现场勘测及计算分析得知,该边坡滑坡推力较大,普通单桩不足以抵抗滑坡推力,故采用 h 形抗滑桩进行支护。图 1 边坡最危险截面表 1 岩土体物理力学参数类型重度/kNm-3 弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/()泊松比风化土183029220.33风化岩2630046320.28基岩349000125400.223 有限元模型3.1 模型建立本文采用有限元软件 MIDAS GTS 进行数值模拟,边坡岩土体采用 Mohr-Coulomb 本构模型,抗滑桩采用线弹性本构模型,边坡尺寸 182m112m,边坡有限元模型见图 2。图 2 有限元模型图抗滑桩采用 C30 混凝土,重度 25kN/m3,体积模量 1.146107kPa,剪切模量 1.28107kPa,抗滑桩截面尺寸 BH=2m3m,连梁顶面距后排桩桩顶面 8m,前排桩长 L1,连梁长 L2=桩排间净距 d,后排桩长为 L3=32m。抗滑桩构造图见图 3。图 3 抗滑桩构造图3.2 数值模拟分组为保证抗滑桩所受滑坡推力相同,h 形抗滑桩后排桩的位置保持不变。通过改变前排桩桩长与连梁长度,实现前后排桩排间净距的改变。考虑到工程造价因素,在不同数值模拟分组中,使后排桩长度保持不变,前排桩长度与连梁长度之和等于后排桩长度(定值),以此保证各分组抗滑桩造价相同。由于布桩位置与抗滑桩嵌固长度的限制,本文讨论的桩排间净距的范围为 1H5H,数值模拟各组参数见表 2。表 2 数值模拟各组参数桩排间净距d/m前排桩长度L1/m连梁长度L2/m前排桩+连梁/m后排桩长度L3/m1H29332322H26632323H23932324H201232325H1715323239第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,20234 数值模拟分析在相同滑坡推力作用下,对不同桩排间净距的 h 形抗滑桩支护的边坡进行运算求解,得到各组的 h 形抗滑桩对坡体的支护效果与其内力,并进行对比分析。4.1 边坡支护效果分析抗滑桩支护边坡前后,边坡的稳定安全系数、最大剪应变与位移的变化是评价支护效果好坏的重要指标。未支护状态与各分组抗滑桩支护的边坡稳定安全系数、最大剪应变以及最大 X方向位移见表 3。表 3 边坡模拟相关系数状态稳定安全系数最大剪应变最大 X 方向位移/m未支护1.060.361.131H 支护1.250.130.622H 支护1.380.060.313H 支护1.360.050.354H 支护1.310.090.495H 支护1.270.110.71 由表3 可知,相对于未支护状态,经 h 形抗滑桩支护后,各分组的边坡稳定安全系数均有明显提升,但不同分组支护的稳定安全系数存在一定的差距。其中,当采用桩排间净距 2H 的抗滑桩支护时,边坡稳定安全系数达到所有分组中最高的 1.38,相较未支护状态提高 30.19%;桩排间净距 1H 的抗滑桩支护时,边坡稳定安全系数仅达到 1.25,但相较未支护状态仍提高 17.92%。对比不同分组的边坡稳定安全系数可以得到,当桩排间净距 1H2H 时,稳定安全系数随桩间净距的增加而升高;当桩排间净距为 2H5H 时,稳定安全系数随桩排间净距的增加而降低。由表3 可知,相较于未支护状态,经 h 形抗滑桩支护后,各分组边坡最大剪应变与最大 X 方向位移均有明显降低,但不同分组支护的边坡最大剪应变与最大 X 方向位移的差距也是存在的。其中,当采用桩排间净距 3H 的抗滑桩支护时,边坡最大剪应变达到所有分组中最低的 0.05,相较未支护状态降低 86.11%;桩排间净距 1H 的抗滑桩支护时,边坡最大剪应变在所有分组中最大,最大 值 为 0.13,但 相 较 未 支 护 状 态 仍 降 低63.89%。当采用桩排间净距 2H 的抗滑桩支护时,边坡最大 X 方向位移降低至最小,最小值为0.31,相较未支护状态降低 72.56%。对比不同分组的边坡最大剪应变与最大 X 方向位移可以得到,当桩排间净距 1H3H 时,最大剪应变随桩间净距的增加而降低;当桩排间净距为 3H 5H时,最大剪应变随桩排间净距的增加而升高。当桩排间净距 1H2H 时,最大 X 方向位移随桩间净距的增加而降低;当桩排间净距为 2H5H 时,最大 X 方向位移随桩排间净距的增加而升高。综合上述分析,采用 h 形抗滑桩进行边坡治理时,边坡稳定性得到明显提升,但不同桩排间净距的 h 形抗滑桩支护效果存在差异。综合边坡稳定安全系数、最大剪应变以及最大 X 方向位移可大致认为,当 h 形抗滑桩桩排间净距1H2H时,边坡支护效果随桩排间净距的增加而升高;当 h 形抗滑桩桩排间净距为 2H5H 时,边坡支护效果随桩排间净距的增加而降低。4.2 抗滑桩内力分析不同分组的 h 形抗滑桩后排桩的弯矩与剪力见图 4、图 5。由图 4 可知,在不同分组中,后排桩埋深为 09.5m 时,桩身弯矩基本完全一致;当桩埋深为 9.5m 时,所有分组的桩身弯矩均发生突变,但只有 1H 分组的弯矩方向未发生突变;后排桩桩身最大正弯矩与最大负弯矩均发生在5H 分组中,最大正弯距为 17.1MNm,最大负弯矩为 13.9 MNm;在靠近潜在滑动面处深度,桩身弯矩都会达到一个极值,4H 分组的极值最小,为 6.9 MNm;相对于其他分组,2H 分组桩身整体弯矩随桩身分布较均匀,最大弯矩 7.6MNm,仅为 5H 分组的 44.44%。由图 5 可知,在不同分组中,整体上桩身剪力分布形式大致相同,当后排桩埋深为 0 9.5m 时,桩身剪力分布基本一致;当桩埋深 9.5m 时,桩身剪力均发生突变,但只有 2H 分组剪力方向发生变化;桩身剪力最大值出现在 5H 分组,h 形抗滑桩后排桩最大剪力数值为 1.64MN;相对于其他分组,2H 分组桩身整体剪力随桩身分布较均匀,在 025m 埋深中,2H 分组的桩身剪力均最接近桩身轴;在 2532m埋深中,仅有 4H 分组较 2H 分组略靠近桩身轴。49张 虹:不同桩排间净距的 h 形抗滑桩的数值模拟研究第 9 期图 4 后排桩弯矩图图 5 后排桩剪力图 不同分组的 h 形抗滑桩前排桩的弯矩与剪力见图 6、图 7。由图 6 可知,5H 分组的 h 形抗滑桩的前排桩弯矩整体较小;弯矩最大值发生在1H 分组,最大弯矩为 16.9 MNm;桩顶最大弯矩为 14.3 MNm,发生在 4H 分组;前排桩弯矩整体分布趋势较为统一。由图 7 可知,在埋深07.5m 范围内,不同分组前排桩剪力分布基本相同;在 7.5m 至桩底范围内,前排桩剪力分布差异较大;桩身最大剪力在 5H 分组,最大剪力为2.35MN,且只有 5H 分组的剪力最大值不在桩顶位置,其余分组的最大剪力值均在桩顶位置处;2H分组前排桩桩身剪力在整体上分布较为均匀。图 6 前排桩弯矩图图 7 前排桩剪力图 综合上述,当桩排间净距过小时,前排桩的弯矩与剪力会明显提高,但后排桩弯矩与剪力仍保持较大;当桩排间净距过大时,前排桩的的弯矩与剪力较小,后排桩的弯矩与剪力会很高,不能充分发挥前排桩的作用。结合前后排桩内力分布情况可以大致认为,在不同分组中,桩排间净距为 2H 时,连梁协调前后排桩的内力效果最优。5 结 论本文通过建立不同桩排间净距的 h 形抗滑桩边坡支护模型,对不同桩排间净距的抗滑桩边(下转第 105 页)59杨树祺:复合断面防洪堤有限元静力分析第 9 期如下:1)工况为设计洪水位时,随着深度的增加,防洪堤地基沉降值不断减小,基础沉降峰值为20mm,位于防洪堤下部。竖直方向上混凝土挡墙的位移峰值为 20.3mm,位于混凝土挡墙和踵板相接的右部。结构整体的竖向位移峰值为 26.2mm。参考防洪堤设计规范,其基础沉降量符合规范要求。2)随着混凝土挡土墙高度的提升,其竖向位移也不断增加,并且同一水平面内,此竖向位移对称于挡土墙的肋板。位移峰值位于混凝土挡土墙肋板和面板相接位置,约为 19.96mm,其应变处于材料弹性范围中。随着高度的增大,混凝土挡土墙水平位移也在不断增大,但同一平面上的水平位移基本一致。水平位移峰值位于混凝土挡土墙面板和肋板相接的顶部,为 9.3mm,其应变值也处于材料弹性范围中。借助有限元分析软件开展数值计算后,得到结构的拉应力和压应力分别为第 1 和第 3 主应力,两主应力峰值均达到设计标准。3)在完建工况下,防洪堤地基沉降值会随着深度的提高而不断降低,基础沉降量峰值为21mm,位于防洪堤下部。混凝土挡土墙在垂直方向的位移峰值为 22.3mm,位于混凝土挡墙和踵板相接的右侧。参考防洪堤相关设计标准,防洪堤沉降量在规定范围内,且应变值也处于材料弹性范围中,表明结构的拉应力和压应力均达到设计标准。参考文献1 黄崇福,张俊香,陈志芬,等.自然灾害风险区划图的一个潜在发展方向J.自然灾害学报,2004(2):9-15.2 曹洲榕.城镇防洪对策研究与实现D.成都:西南交通大学,2011.3 欧阳志巨.城市防洪工程的有效性和经济性分析J.中国房地产业,2011(9):442-443.4 黄琼珠.浅析堤防工程的堤线布置及堤型选择J.水利技术监督,2008(3):38-40.5 周珊.茂名市防洪(潮)堤工程设计思路J.甘肃水利水电技术,2005(3):271-272.6 李彦军,陈光耀,孟卫涛,等.海南省海口市龙塘镇至龙泉镇防洪堤结构型式比选J.水利科技与经济,2012,18(2):31-32.(上接第 95 页)坡支护效果与桩身内力进行研究,结论如下:1)相同抗滑桩造价时,在相同滑坡推力作用下,边坡支护效果随前后排桩净距先变优后变劣。在不同桩间净距支护分组中,当前后排桩净距为 2H 时,边坡支护效果最佳,边坡稳定安全系数提高 30.19%。2)在相同滑坡推力作用时,相较于其他分组,桩排间净距为 2H 时,桩身最大弯矩仅为 5H分组的 44.44%,h 形抗滑桩的桩身弯矩与剪力分布较为均匀,能够更好协调前后排桩的内力,充分发挥前后排桩的抗滑作用。参考文献1 罗勇,姜波,李春峰,等.h 形抗滑桩滑坡治理中的变形特性及内力研究J.地下空间与工程学报,2017,13(6):1702-1710.2 李兵,赵如雄,马洪生,等.圆截面 h 形抗滑桩受力与变形分析J.地下空间与工程学报,2021,17(S2):1023-1027.3 赵玉博,方宏宇.基于 FLCA(3D)模拟的单桩及 h形抗滑桩支护效果分析J.甘肃水利水电技术,2020,56(12):7-13.4 宁宇,黄青富,郝李坤,等.联合 h 形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):10004-10012.5 王晨涛,刘欣,张尧禹,等.h 形抗滑桩的分析方法及在滑坡治理工程中的应用J.路基工程,2020(5):132-136.501