岩土体力学参数对抗滑桩变形特性的影响研究

蒋远芳

摘要：为研究岩土体力学参数对抗滑桩变形的影响，文章基于数值模拟，讨论了岩土抗剪强度参数、弹性模量及泊松比对抗滑桩变形的影响。结果表明：数值模拟结果与实测结果吻合度较好，桩的水平位移随深度先增大后减小；在桩的深度为6 m时，水平位移达到最大值24.1 mm，计算值为25.3 mm，相对误差为4.7%；土体的弹性模量对桩水平位移的影响最显著，内摩擦角和粘聚力对其的影响基本相同，而泊松比对桩水平位移的影响基本可以忽略；实际工程中，对于软土地区，为有效控制桩的水平变形，可采用旋喷和搅拌方式对桩体周围土体进行加固。

关键词：抗滑桩；土体参数；变形特征；数值模拟；边坡支护

中图分类号：U417.1 A 32 102 2

0 引言

滑坡是全球性范围内广泛发育的一种地质灾害，由于其规模大、分布广泛和危害性大，容易造成较大的社会影响。目前滑坡的相关研究主要集中于抗滑桩的受力性能及治理效果方面。侯超群等［1］基于三维数值模拟，系统地研究了影响抗滑桩加固效应的敏感性因素分析。研究结果表明，不考虑土体抗剪强度参数时，边坡倾角、地震作用、抗滑桩对边坡安全系数有较大影响。平诗语等［2］基于有限差分强度折减法，系统地研究了滑坡模式对抗滑桩加固桩位与嵌固深度的影响，结果表明，推移式滑坡在边坡中后部设置抗滑桩最优，牵引式滑坡在边坡的前部设置抗滑桩最优。程盛［3］基于某高速公路路基边坡治理中矩形截面抗滑桩的实际应用。系统地分析了矩形桩的受力性能，以及水钻法成孔工艺和钢筋孔内绑扎工艺，研究结果可为类似工程提供经验。刁海珠［4］基于FLAC 3D数值模拟，研究了抗滑桩加固参数对边坡稳定性影响，结果表明，一定范围内，边坡稳定性会随着桩长的增加而提高。何文野等［5］基于FLAC 3D数值模拟研究了抗滑桩参数对边坡稳定性影响，结果表明，桩间距和桩截面尺寸是影响边坡的稳定性的主要因素，而桩长度对其的影响较小。李永奎［6］基于有限元数值模拟研究了桩截面尺寸对岩堆三排桩力学特性影响，结果表明，三排桩中第二排桩的锚固长度应大于第一排和第三排的锚固长度。金兆鑫［7］基于数值模拟研究了不同型式的抗滑桩治理效果，结果表明，实际工程中，矩形桩和圆形桩的受力特性基本一致，但矩形桩的施工难度和经济性要优于圆形桩。

本文依托公路工程抗滑桩支护边坡实际工程。开展Midas-GTS数值模拟计算，系统地研究了岩土体力学

参数对抗滑桩变形特性的影响，讨论了岩土的抗剪强度参数、弹性模量及泊松比对抗滑桩变形的影响，研究成果可为相关工程设计及施工提供借鉴。

1 工程概况及数值模型

1.1 工程概况

某公路路堤边坡，边坡的高度为20 m，顶宽为12.5 m，底宽35 m，坡度约为20°。为了保证公路的安全运营，拟对上方边坡进行加固处理。采用钢筋混凝土抗滑桩及坡面网格梁进行支护。抗滑桩的长度统一取为14 m，桩间距为6 m，截面尺寸为1.5 m×2 m。根据现场钻孔资料显示，岩层由上至下分别为：

（1）坡积土。灰色-灰褐色，成分主要是黏性土，含有大量的碎块石和混凝土碎块，松散，欠密实。平均厚度为2.3 m。

（2）粉质黏土。褐色、青色等。可塑。主要成分为黏土。平均厚度为9 m。

（3）强风化泥岩。黄灰色。风化严重，岩芯取样为碎屑状，遇水容易崩解。平均厚度为5 m。

1.2 数值模型

基于Midas-GTS软件进行建模与分析。建立边坡数值模型如图1所示。另外，为了减少应力波在边界处反射造成的影响，模型整体尺寸比桩的尺寸大得多。模型的边界条件为：左右两侧约束水平位移，底部为约束竖向位移，顶面为自由面。网格尺寸为0.5 m。抗滑桩和支撑采用梁单元进行模拟，土体采用四边形单元模拟。土体材料采用摩尔-库仑本构模型。计算中不考虑地下水以及孔隙水压力的影响。抗滑桩材料假定为各向同性，采用弹性本构模型模拟。岩土体的计算参數如表1所示。

2 计算结果与分析

2.1 数值模拟与实测结果对比

采用数值模拟计算了桩体位移随桩深度的变形规律（图2），结果表明桩的水平位移随深度先增大后减小。在桩身＜6 m时，桩的水平位移随桩长基本呈线性增大；当桩长＞6 m时，桩的水平位移随桩长基本呈线性减小。在桩的深度为6 m时，水平位移达到最大值，最大值为25.3 mm。总体来看，桩的最大水平位移满足规范的安全性要求。这证明采用抗滑桩进行支护是有效的。

2.2 土体弹性模量的影响

为了研究土体弹性模量对抗滑桩变形的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别计算了弹性模量为原始值的0.8倍和1.2倍时，桩的水平位移随深度的变化趋势（图3）。结果表明，桩的水平变形随土体的弹性模量增大而减小，即土体越软，桩变形越大。此外，三种弹性模量下，桩最大的水平位移发生在5 m深度处，抗滑桩的最大水平位移分别为36.2 mm、22.5 mm和15.3 mm。此外，当土体的弹性模量由0.8倍增大至1.0倍时，桩的水平位移增大效应比土体弹模由1.0倍增大至1.2倍时要小，证明桩的水平位移对土体刚度减小的影响更明显。

2.3 土体内摩擦角的影响

为了研究土体内摩擦角对抗滑桩变形的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别计算了内摩擦角为原始值的0.8倍和1.2倍时，桩的水平位移随深度的变化趋势（图4）。结果表明，桩的水平变形随土体的内摩擦角的增大而减小，即土体抗剪强度越高，桩变形越小。此外，3种内摩擦角下，桩最大的水平位移发生在5 m深度处，抗滑桩的最大水平位移分别为31.8 mm、23.2 mm和18.1 mm。主要原因是，5 m深度处桩的水平约束作用最弱。当土体的内摩擦角由0.8倍增大至1.0倍时。桩的水平位移增大效应比土体内摩擦角由1.0倍增大至1.2倍时要大，证明桩的水平位移对土体内摩擦角减小的影响更明显。

2.4 土体粘聚力的影响

为了研究土体粘聚力对抗滑桩变形的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别计算了粘聚力为原始值的0.8倍和1.2倍时，桩的水平位移随深度的变化趋势（后页图5）。结果表明，桩的水平变形随土体的粘聚力增大而减小，即土体抗剪强度越高，桩变形越小。此外，3种粘聚力下，桩最大的水平位移发生在5 m深度处，最大位移分别为28 mm、24 mm和20 mm。当土体的粘聚力由0.8倍增大至1.0倍时，桩的水平位移增大效应比土体粘聚力由1.0倍增大至1.2倍时要大，证明桩的水平位移对土体粘聚力减小的影响更明显。

2.5 土体泊松比的影响

为了研究土体泊松比变化对抗滑桩变形的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别计算了泊松比为原始值的0.8倍和1.2倍时，桩的水平位移随深度的变化趋势（图6）。结果表明，桩的水平变形随土体的泊松比增大而减小，即土体越软，抗滑桩的变形越大。此外，3种泊松比下，桩最大的水平位移发生在5 m深度处，最大位移分别为24.5 mm、23.1 mm和22.5 mm。总体来看，与土体的其他参数对抗滑桩变形的影响相比，泊松比变化对桩水平变形的影响较小，各泊松比数值下，桩的变形值基本相同。

3 结语

本文依托某公路边坡防护工程，开展Midas-GTS数值模拟计算，系统地研究了岩土体力学参数对抗滑桩变形特性影响，讨论了岩土的抗剪强度、弹性模量及泊松比对抗滑桩变形的影响，得到如下几点结论：

（1）桩的水平位移随深度的增大先增大后减小。在桩的深度为6 m时，水平位移达到最大值，最大值为25.3 mm。综合来看，抗滑桩的加固效果是显著的。

（2）土体的弹性模量对抗滑桩水平位移的影响最显著。内摩擦角和粘聚力的影响基本相同，而泊松比对桩水平位移的影响基本可以忽略。

（3）根据分析，实际工程中，为了有效控制抗滑桩的变形，应适当增加土体强度。尤其是对于软土地区，为了有效控制抗滑桩的水平变形，可采用旋喷和搅拌等方式对桩体周围土体进行加固。

参考文献

［1］侯超群，丁 莹，孙志彬，等.抗滑桩加固边坡三维稳定因素的敏感性分析［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2022，45（8）：1 092-1 099.

［2］平诗语，夏元友，陈 晨，等.不同演化模式滑坡抗滑桩加固桩位与嵌固深度的影响分析［J］.武汉理工大学学报，2022，44（7）：67-74.

［3］程 盛.边坡矩形截面抗滑桩的施工技术与应用研究［J］.公路，2018，63（9）：76-79.

［4］刁海珠.抗滑桩加固参数對边坡稳定性影响的数值计算［J］.安徽建筑，2022，29（5）：144-145.

［5］何文野，范荣全，唐 杨，等.抗滑桩参数对边坡稳定性影响研究［J］.人民长江，2020，51（S1）：191-195.

［6］李永奎.桩截面尺寸对岩堆三排桩力学特性的影响研究［J］.路基工程，2020（2）：87-92.

［7］金兆鑫.不同型式抗滑桩治理某多滑带滑坡的加固效果研究［J］.兰州石化职业技术学院学报，2019，19（4）：19-22.

收稿日期：2023-09-06