DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.036

高速公路改扩建工程边坡抗滑桩加固效果数值分析

罗根传^{1, 2}，何忠明¹，曾铃³

(1. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004；

2. 广西壮族自治区 交通投资集团有限公司，广西 南宁，530028；

3. 长沙理工大学 土木与建筑工程学院，湖南 长沙，410004)

摘要：为了分析改扩建工程中使用抗滑桩对边坡加固治理时的支护稳定性，基于FLAC3D软件对某改扩建边坡利用抗滑桩加固效果进行数值模拟，得到边坡的应力应变云图、桩身前后岩体压力及桩自身内力的分布规律。研究结果表明：抗滑桩的阻挡作用使桩周岩体局部应力增加，抗滑桩处的剪应变增量增大；抗滑桩前、后的岩土压力呈三角形分布，边坡滑裂面以下岩土压力分布复杂，可近似认为属于梯形或矩形分布；抗滑桩桩体在滑裂面位置处的剪力和弯矩最大。

关键词：改扩建；抗滑桩；桩岩相互作用机理；加固效果

中图分类号：TU751⁺.7             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)06-2244-06

Numerical analysis of reinforcement effect of slope anti-slide pile on expressway reconstruction projection

LUO Genchuan^{1, 2}, HE Zhongming¹, ZENG Ling³

(1. School of Traffic and Transportation Engineering,

Changsha University of Science &Technology, Changsha 410004, China;

2. Communications Investment Group Co. Ltd of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530028, China;

3. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: In order to analyze the stability in the expansion project when the anti-slide plie was used on slope governance, by using numerical simulation to analyze the effect of strengthening of anti-slide plie on a expansion project which was based on FLAC3D, the stress strain contours of the slope, body stress of rock before and after pile and its internal force distribution were obtained. The results show that the anti-slide pile blocking effect makes the local stress of rock mass increase, and anti-slide pile in shear strain increment also increases. Stress distribution of rock and soil is triangular before and after anti-slide pile, pressure distribution of rock and soil is complex under the critical slip surface, and can be considered to be a trapezoid or rectangular distribution. Shear force and bending moment of anti-slide pile are the maximum on the critical slip surface.

Key words: reconstruction; anti-slide pile; mechanism of piles of rock; reinforcement effect

随着我国基础设施建设的大规模启动，边坡与滑坡工程治理引起了众多学者的重视。抗滑桩加固因具有支挡效果好、施工期短、施工灵活等优点，成为治理边坡及滑坡工程的常见手段之一^[1-3]。而且随着原有高速公路改扩建工程的不断增加，采用抗滑桩提高改扩建边坡稳定性的方法也逐渐增多，但在此过程中会出现许多关于抗滑桩支护稳定性的问题，如支护桩开挖扰动对边坡土体容易造成影响等^[4]。近年来，一些研究者对抗滑桩的问题进行了研究，如：吴鹏等^[5]通过分析抗滑桩的荷载位移曲线变化规律，提出了考虑桩土滑移动态调整的分析计算方法；高长胜^[6]通过试验手段对稳定计算中土体强度指标、边坡变形破坏发生机制及抗滑桩与土体相互作用进行了研究，指出采用双排抗滑桩的加固效果明显好于相对应单排桩的加固效果；朱彦鹏等^[7]提出集中弹簧模型建立支护桩与土相互作用的p-y曲线，推导出考虑非线性共同作用的预应力锚杆支护桩的挠曲微分方程；吕庆等^[8]采用平面应变有限元分析模型，对桩周土应力应变变化规律进行研究，解释了土拱作用的力学机理。以上研究均对抗滑桩受力情况或桩土共同作用产生的土拱效应进行了研究，但对于桩-岩之间的耦合效应特别是基于数值分析方法来反映桩-岩之间相互作用的研究尚少。为此，本文作者利用FLAC-3D数值分析方法，对抗滑桩桩-岩之间的相互作用机理及加固效果进行分析，以便为工程实践提供参考。

1  桩-岩相互作用机理

在FLAC-3D中，桩与实体单元之间的相互作用通过耦合弹簧实现^[9-12]。耦合弹簧为非线性、可滑动的连接体，能够在桩身节点和实体单元之间传递力和弯矩。桩力学机理模型如图1所示。桩单元包括3个弹簧单元：弹簧1和2为切向弹簧，可以模拟接触面之间的相对位移；弹簧3为法向弹簧，可以模拟法向荷载的作用及桩周围岩土对桩身的挤压作用。

桩岩之间的接触面单元可以通过接触面节点和实体单元之间建立联系^[13-15]。接触面法向方向所受到的力由目标面方向决定。在每个时步中，首先得到接触面节点和目标面之间的绝对法向刺入量和相对剪切速度，再利用接触面本构模型计算法向力和切向力。处于弹性阶段时，t+Δt时刻接触面的法向应力和切向应力通过下式计算：

F_n^(t+Δt)=k_nu_nA+σ_nA                 (1)

F_si^(t+Δt)=F_si^(t)+k_sΔu_si^(t+0.5Δt)A+σ_siA            (2)

式中：F_n^(t+Δt)为法向矢量；F_si^(t+Δt) 为切向力矢量；u_n为接触面单元灌入目标面的绝对位移；Δu_si为相对剪切位移矢量；σ_n为初始化造成的附加法向应力；σ_si为初始化造成的附加切向应力；k_n和k_s为接触面单元的法向和切向刚度；A为单元节点代表的面积。

图1  桩力学机理模型

Fig. 1  Mechanical mechanism model of pile

桩-岩之间的剪切行为如图2所示。当桩-砂浆、砂浆-岩石界面发生剪切滑移时，利用桩单元法向平均有效围压σ_m、砂浆的黏结强度c_g、砂浆的剪切刚度K_s^a、砂浆的内摩擦角φ_g、砂浆的外周长P_g，可得到相应的力学性质。σ_m根据下式得到：

                       (3)

式中：σ_b1和σ_b2为桩轴线的法平面应力。假设相应接触面符合Mohr-Coulomb破坏模型，桩的轴向剪力可表示为

                 (4)

式中：F_s^a为砂浆体内产生的剪切力；u_bs为桩和岩土界面之间的相对位移；l为桩长。

桩的横向抗剪能力F_n^s为

F_n^s=K_n^su_bn                (5)

式中：K_n^s为桩的横向剪切刚度；u_bn为桩的横向位移。

图2  桩变形模型

Fig. 2  Deformation model of pile

2  计算模型的建立

泉州—南宁高速公路柳州(鹿寨)—南宁段改扩建工程K1369+400右侧高边坡，基岩为灰白色厚层灰岩，中—微风化，岩石坚硬，岩层产状为320°∠21°，节理较发育。原有边坡坡高28.8 m，分为3级，每级坡比为1:0.75，根据边坡地质条件分析，改扩建拟采用垂直开挖坡脚方案：先对老路底部进行抗滑桩预加固，然后，拆除桩前边坡圬工防护、自上而下逐排开挖并逐排张拉锚索，与抗滑桩形成受力整体。抗滑桩长14.0 m，直径为2.0 m，桩体采用C30混凝土，边坡岩体和抗滑桩的物理力学参数如表1所示。利用ANSYS有限元软件，根据实际地形及地层坡面土进行三维数值建模，再将数值模型导入FLAC3D中，设置桩与岩体的黏结力和内摩擦角与所接触的岩体相同，二者的切向刚度和法向刚度均为1.3×10¹¹ N/m。模型底部置刚性约束，两侧设置水平约束，模型材料选用Mohr-Coulomb弹塑性材料，屈服准则采用莫尔-库仑准则，以最大不平衡力比率趋近于10^-5为计算收敛值^[16]，模型网格划分共生成节点13 629个，单元11 590个，计算模型如图3所示。

表1  材料物理力学参数

Table 1  Physical and mechanical parameters of material

图3  数值计算模型

Fig. 3  Numerical simulation model

3  计算结果分析

3.1  无抗滑桩支护结果分析

图4和图5所示分别为无抗滑桩条件下的水平等值云图与剪切应变等量云图，采用强度折减法计算得到边坡在无抗滑桩支护时的安全系数为1.08。从图4可以看出：当无抗滑桩支护时，边坡上部的水平位移整体较大，最大值出现在开挖后的坡脚处，达到22.9 cm，表现出由坡脚向上逐渐减小的趋势。从图5可见：剪切应变增量较大值在边坡内部已具有连续贯通的趋势，且此时边坡的安全系数为1.08，小于规范所要求的最低值，可以推断此时边坡处于较危险的状态，需要及时进行加固处理。

图4  无支护时的水平位移等值云图

Fig. 4  Horizontal displacement equivalents contour (No supporting)

图5  无支护时的剪切应变增量云图

Fig. 5  Shear strain increment contour(No supporting)

3.2  抗滑桩支护效果分析

按照模型中所设计的抗滑桩支护方案对边坡进行支护，计算所得的水平及竖向位移等值云图见图6与图7。从图6可以看出：边坡的最大水平位移出现在垂直开挖的坡脚附近，最大值为1.45 mm；抗滑桩施加后，有效抑制了边坡土体的水平位移，其与边坡形成有机整体，利用自身的强度和刚度阻止了边坡上部的持续滑移。从图7可以看出：边坡的最大竖向位移出现在桩前开挖坡体处，最大值为12.01 mm，方向竖直向上。这是由于抗滑桩的作用抑制了桩后岩体的变形，使得桩后岩体应力沿桩向下传递至新开挖路面处，造成新开挖路面呈现向上隆起的现象，这一现象通过速度矢量图(图8)得到更好体现。

开挖完成后边坡的剪切应变增量云图如图9所示。从图9可见：与未支护时相比，剪切应变增量分布形状不再与坡面平行，剪力通过桩底传至行车道，这大大降低了边坡滑动的风险。由于抗滑桩的阻挡作用，致使桩周岩体局部应力增加，从而导致其剪应变也相应增加，抗滑桩处的剪应变增量也较大。

图10所示为抗滑桩桩前桩后岩体压力分布图。从图10可见：在抗滑桩滑裂面以上，桩前桩后岩体压力大致呈三角形分布；而在滑裂面以下，岩体压力变得复杂，但可近似取为矩形或梯形分布。桩后滑坡推力和桩前岩体抗力分布及其合力作用点受滑动面形状、部位、滑坡的类型、岩层性质、抗滑桩变形等综合因

素的影响，所以，在具体分析时，应根据现场监测情况确定岩体压力分布，而数值计算可作为一种验证手段。

图6  有支护时的水平位移等值云图

Fig. 6  Equivalents contour of horizontal displacement with supporting

图7  有支护时的竖向位移等值云图

Fig. 7  Equivalents contour of vertical displacement with supporting

图8  有支护时的速度矢量图

Fig. 8  Vector diagram of velocity with supporting

图9  有支护时的剪切应变增量云图

Fig. 9  Increment contour of shear strain with supporting

图10  抗滑桩桩前桩后岩体压力分布图

Fig. 10  Stress distribution of rock mass around pile

通过对安全系数进行反算，计算抗滑桩桩体的有效推力(有效推力为桩后推力与桩前抗力之差，可通过滑裂面以上桩长范围内桩前桩后土体水平向应力的积分获得^[17])，进而得到桩体自身的剪力和弯矩，分别如图11和图12所示。从图11和图12可以看出：在桩身约1/3高度处，剪力发生了突变，弯矩达到最大值，这与剪切应变增量云图相符；而位于基岩中桩体的剪力和弯矩变化不明显，因此，可以在桩体上部施加锚索结构形成桩锚体系，以进一步增加支护性能，从而也可减小桩体本身内力。

图11  桩体剪力分布图

Fig. 11  Shear distribution of pile

图12  桩体弯矩分布图

Fig. 12  Bending moment distribution of pile

4  结论

1) 抗滑桩用于支档边坡后，由于抗滑桩的阻挡作用，桩周岩体局部应力增加，从而导致其剪应变增大，且抗滑桩处的剪应变增量也较大。

2) 抗滑桩桩前、后岩体压力大致呈三角形分布，而在滑裂面以下，岩体压力可近似取为矩形或梯形分布，显得较复杂。桩后滑坡推力和桩前岩体抗力分布受滑动面形状、部位、滑坡的类型、岩层性质、抗滑桩变形等综合因素的影响。

3) 抗滑桩桩体在滑裂面位置处的剪力和弯矩最大，因此，可在相应位置施加锚索结构形成桩锚体系，以进一步增强支档性能，保证边坡安全稳定。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-08-03；修回日期：2014-10-12

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278067)；广西科学研究与技术开发计划项目(桂科转1298011-2)(Project (51278067) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (1298011-2) supported by Science and Technology Development Plan of Guangxi)

通信作者：何忠明，博士，副教授，从事道路工程教学与科研工作；E-mail：hezhongming45@126.com