基于ABAQUS的抗滑桩设计优化分析.pdf

第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2023-05-25作者简介 黎志源(1981-),男,广西藤县人,工程师,主要从事水工设计工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.011基于 ABAQUS 的抗滑桩设计优化分析黎志源(淮安市水利规划设计研究院有限公司 广州分公司,广州 510610)摘 要抗滑桩是提高边坡稳定性广泛使用的一种支护措施,合理选择抗滑桩参数,对于提高边坡稳定性、节省成本具有重要意义。利用有限元数值模拟软件 ABAQUS,通过建立典型边坡三维数值模型,分析抗滑桩桩间距及桩径比对边坡支护效果的影响。结果显示:随着间距与桩径比的增加,抗滑桩边坡体系稳定系数逐渐减少,减幅呈先大后小的趋势,最优比值间距与桩径比为 3 5。抗滑桩在桩头以下 12m 处内力急剧增长,当间距与桩径比大于3 时,内力峰值基本不变。此外,抗滑桩在桩头处挠度最大可达 120mm。研究结果可用于边坡抗滑桩的设计与应用。关键词抗滑桩;ABAQUS;数值模拟;桩径比;边坡安全系数中图分类号 TU472 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-0048-041 概 述抗滑桩是边坡工程中应用广泛的一种抗滑措施,其主要作用是通过桩与土体之间的摩擦和承载力来增强边坡的稳定性,防止边坡发生滑坡、塌方等事故1。在 20 世纪 60 年代早期,抗滑桩技术被用于日本和欧美等地的边坡支护处理,之后该方法得到世界各地的推广和使用2。作为一种广泛使用的边坡支护措施,抗滑桩具有性能好、施工简单、价格低廉等特点。抗滑桩的桩身通常为光滑的圆形或方形截面,通过桩身与土壤之间的摩擦力来传递荷载。相对于其他深基础,抗滑桩能够提供更好的抗滑性能。抗滑桩的设计需要考虑多个因素,如边坡高度、坡度、土体性质、地下水位等,通常采用平衡法、有限元法、试验法等方法3。其中,平衡法是应用最广泛的方法之一,其基本原理是通过平衡边坡和抗滑桩之间的受力关系来确定抗滑桩的数量、位置和直径等参数4。有限元法可以更加精确地模拟边坡和抗滑桩之间的相互作用,对于复杂的工程情况具有较好的适用性5。彭瑜等6通过理论分析,计算了梯形断面抗滑桩最优桩间距,研究得出抗滑桩倾角与间距具有正相关关系,并给出了最佳倾角范围。谭朝瑞等7采用数值模拟法,分析了抗滑桩与土体之间的相互作用,结果表明抗滑桩在边坡中部能提供最大的抗滑力。魏少伟等8通过物理模型试验,研究了不同截面抗滑桩的受力特征,发现同等条件下,圆形抗滑桩比方形桩受力更均匀。已有抗滑桩研究的相关文献大多集中在研究均质土坡或多层土坡的加固,而对于含有岩层的边坡研究较为有限。因此,本文针对抗滑桩的桩间距和弹性模量对含岩层边坡的稳定性、抗滑桩内力以及挠度等方面的影响进行分析,为相关岩质边坡抗滑桩支护工程提供设计理论依据。2 工程概况该滑坡的构成包括上下两层岩性。上层岩性为黄色粉土黏土及碎石,厚度约 515m;碎石粒径在 35cm 之间。下层基岩主要是风化花岗岩,厚度较大且风化程度高,破碎程度也比较大,透水性强。各岩土层物理力学参数见表 1。84黎志源:基于 ABAQUS 的抗滑桩设计优化分析第 11 期表 1 边坡数值模型力学参数表岩性天然重度/kNm-3 黏聚力(天然)c/kPa内摩擦角(天然)/()黏聚力(饱和)c/kPa内摩擦角(饱和)/()饱和重度/kNm-3土层19.822.53219.23422.1抗滑桩24.0000025.03 边坡稳定性计算模型本文采用 ABAQUS 方式对后坡进行加固,建立典型的三维防滑桩模型。在边坡中布置抗滑桩,边坡后缘及坡体水平长度15.0m,前缘及坡高10.0m,坡度 1 1.5。见图 1。图 1 边坡几何尺寸及数值模型示意图 在数值模型中,采用部分模型进行分析,以降低计算量,见图 1(a);并建立其数值网格模型,见图 1(b)。采用摩尔-库伦作为失稳判据。抗滑桩边坡数值模型左右端均设置成自由移动面,底部设置成固定约束。4 桩间距与桩径比优化分析4.1 抗滑桩直径对抗滑效果影响分析通过改变桩间距,计算得到桩间距与桩径比(S/D)随安全系数 Fs 的变化曲线,见图 2。由图2 可以看出,随着桩间距与桩径比的增长,安全系数 Fs 逐渐减小。当桩间距与桩径比在 35 之间时,安全系数 Fs 急剧下降;而在达到 4 之后,安全系数 Fs 下降幅度减缓,并逐渐接近未加固的情况。安全系数 Fs 与桩间距与桩径比的变化趋势与桩间土拱效应的变化趋势类似。桩后土拱的刚度随桩间距与桩径比的减小而增大。在两个抗滑桩之间距离较小的情况下,桩后的土拱刚度较大,土拱效应也更加明显。土拱效应会随着桩间距与桩径比的增大而逐渐减弱甚至消失。改变桩间距与桩径比,实质上就是通过改变两个抗滑桩之间的土拱效应来影响边坡的加固效果。因此,边坡稳定安全系数 Fs 随桩间距与桩径比的变化特点,基本上与桩间土拱效应随桩间距与桩径比变化一致。图 2 边坡安全系数 Fs 与桩径比(S/D)变化曲线图根据表 2 的数据,当桩间距与桩径比取值为3 时,桩径范围为 0.81.8m。此时,安全系数基本保持不变,此规律在桩间距与桩径比取 3、4、5、6 时也适用。当桩间距与桩径比分别取 3、4、5、6时,改变桩径不会对 Fs 随桩间距与桩径比变化的规律产生影响。因此,在研究桩间距对安全系数的影响时,可以直接以桩间距与桩径比为研究对象,而无需考虑具体的桩径和桩间距。这样有助于研究更加方便,并可将研究结果推广到不同桩径的情况下,这与抗滑桩直径改变不会影响两桩之间土拱发育规律的情况类似。因此,可以直接研究桩间距与桩径比对桩间土拱的影响。94第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023表 2 不同直径边坡安全系数表桩径/m安全系数 Fs0.61.511.411.321.281.240.81.521.391.301.261.231.01.511.381.311.251.231.21.491.361.291.251.221.51.521.371.281.241.21 从图 3 可知,在一定的桩间距范围内,在桩间距与桩径比相同的情况下,抗滑桩的支护效果相同,但使用截面尺寸较小的抗滑桩可以节省材料。因此,可以考虑将大尺寸桩径的抗滑桩和小尺寸桩径抗滑桩配合设计。图 3 不同桩径位置示意图4.2 桩间距与桩径对桩身内力与挠度的影响抗滑桩的荷载和变形有限度,若内力或挠度超出限度,则会导致塑性应变或断裂。在优化抗滑桩时,需考虑其对边坡加固的影响和自身安全性。由图 4 可知,改变桩间距与桩径比值,并求出不同情况下的弯矩、剪力和挠度。随着桩间距与桩径比的增加,抗滑桩的内力峰值也增加。但当桩间距与桩径比5 之后,峰值基本不变。其原因是桩间距与桩径比较小时,桩后土拱所承担的下滑力较小,因此抗滑桩内力峰值也较小。桩间距与桩径比较大时,土拱所分担的下滑力较大,因此抗滑桩的内力峰值较大。然而,当桩间距与桩径比大于一定值(如5)时,土拱效应消失,抗滑桩只承担桩周土体下滑力,内力峰值减少并趋于稳定。此外,桩间距与桩径比为 5,优于桩间距与桩径比为 3。因为在相近的支护效果情况下,桩间距与桩径比为 6 时,具有较为明显的工程造价优势;但桩间距与桩径比为 3 时,边坡安全系数较大。图 4 抗滑桩内力与挠度变化曲线05黎志源:基于 ABAQUS 的抗滑桩设计优化分析第 11 期4.3 抗滑桩支反力与横向位移分析抗滑桩的桩身剪力曲线在不同的桩间距与桩径比下几乎重叠。这并非由于不同桩间距与桩径比下的桩身剪力相同,而是由于在桩头以下 12m左右,桩身剪力值急剧增大,使浅部和深部的剪力差异相对微小,从而导致几条关系曲线重合。见图5。图 5 抗滑桩支反力与横向位移云图 由图 5(a)可知,由于有限元计算是以连续体假设为基础,岩石与土体在岩土分界面上具有相同的应变能力。考虑到岩石与土体的弹性模量相差超过 1 000 倍,岩石所承受的应力相对于岩石在岩土界面上所承受的应力,根据胡克定律,会发生突变。于是,界面石承受的外力陡然加大。因此,在设计防滑桩时,如果有需要的话,可以对抗滑桩进行局部加固处理。从图 5(b)可以看出,与水平方向抗滑桩横向位移相类似的抗滑桩,在桩头处可获得最大挠度值。抗滑桩的桩头挠度在桩间距离不同的情况下,最大可达桩径的 12%,约 120mm。需要注意的是,当桩间距与桩径比超过 5 时,抗滑桩挠度值逐渐趋同。因为当桩间距与桩径比为 3 时,抗滑桩承受的下滑力较小,导致抗滑桩的横向变位较小,桩头挠度也相对较少。当桩间距与桩径比大于 3 时,抗滑桩会承受更大的下滑力,导致桩挠度更大。5 结 论本文利用 ABAQUS 软件建立了三维边坡模型,并利用抗滑桩进行加固,分析了抗滑桩间距、桩径与间距之比对抗滑桩支护效果的影响。结论如下:1)随着间距与桩径比的增加,抗滑桩边坡体系稳定系数逐渐减少,减幅呈先大后小的趋势。当间距与桩径比达到一定值时,抗滑桩边坡体系倾向于未加固状态。最优比值间距与桩径比为35,同时考虑到嵌岩抗滑桩的加固效果及其材料成本等因素。此外,为避免材料浪费,可根据实际情况,选择粗细桩搭配使用。2)随着桩间距与桩径比的增加,抗滑桩所受应力急剧增大。但当间距与桩径比大于 3 时,抗滑桩所受最大应力几乎不变。此外,当桩间距与桩径比大于 3 时,抗滑桩会承受更大的下滑力,导致抗滑桩可能发生失稳破坏。参考文献1 王立超,曹雪娇.抗滑桩加固边坡的数值模拟研究J.江苏建筑,2021(6):78-81.2 游桂芳.路堑高边坡双排抗滑桩排列方式及间距支护优化J.山东交通科技,2021(6):91-96.3 陈春梅.抗滑桩应用于路基边坡时的受力影响因素研究J.甘肃科学学报,2021,33(6):142-1454 谢亮.地质灾害防治工程抗滑桩施工的安全技术措施研究J.世界有色金属,2019(23):288-292.5 李怀鑫,范登政.基于双拱作用的抗滑桩最大桩间距计算J.赤峰学院学报(自然科学版),2019,35(12):81-84.6 彭瑜,陈洪凯.基于桩间距计算的梯形抗滑桩桩侧角取值J.水运工程,2018(12):202-207.7 谭朝瑞,晏鄂川,杜毅.基于场地位移变形要求的滑坡抗滑桩位置有限元模拟J.安全与环境工程,2019,26(1):42-49.8 魏少伟,隋颜阳,杨建民.圆形与矩形截面抗滑桩抗滑性能的模型试验研究J.岩土力学,2019,40(3):951-961.15