板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析_曾锦秀.pdf

收稿日期：基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（）；年度福建船政交通职业学院校级科教发展基金项目博士科研启动专项（）；年福建省交通运输科技项目（）；福建省教育厅应用技术协同创新中心项目（闽教科 号）作者简介：曾锦秀（），男，福建福州人，博士，福建船政交通职业学院土木工程学院讲师，研究方向：边坡稳定性。：.移动扫码阅读：.曾锦秀.板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析.华北科技学院学报，（）：.，（）：板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析曾锦秀，（.福建船政交通职业学院 土木工程学院，福建 福州；.福建船政交通职业学院 福建省“交通土建智能与绿色建造”应用技术协同创新中心，福建 福州）摘 要：为对斜直组合微型桩加固边坡中微型桩的工作性状进行研究，采用 数值模拟软件对斜直组合微型桩进行三维数值模拟，研究斜桩倾角对组合结构的力学响应及其对边坡加固效果的影响。结果表明：在相同条件下，随着桩身倾角的增大，桩身变形及桩身水平位移呈现先增大后减小再增大的变化趋势。当桩身倾角为 和 时，桩身变形（水平位移）分别达到最大值和最小值。同时，各桩桩身水平位移最大值出现的位置（距桩顶的距离）随着桩身倾角的增大而逐渐增大。总体而言，随着桩身倾角的增大，边坡潜在滑面由浅变深。不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布范围不同，当桩身倾角为 时，发生剪切破坏的塑性区单元分布范围较小。为较好发挥斜直微型桩组合结构加固边坡效果，建议将组合结构中前排与后排的桩身倾角设置为 为宜。关键词：斜直组合；微型桩；边坡；数值分析中图分类号：.文献标志码：文章编号：（），（.，；.“”，）：，.：，第 卷第 期 年 月华北科技学院学报 .，.，（）.，（）.，.，.，.：；引言边坡稳定性评价是岩土工程领域内重要的研究课题之一。抗滑桩作为提高边坡稳定性的重要手段，涌现出了许多新的形式，如 形抗滑桩、倾斜桩、斜直组合桩等，并在实际工程中得到了广泛应用。工程实践表明，带有一定倾斜角度的桩在抵抗侧向荷载作用时具有更好的控制变形和抗倾覆性能，因此有学者围绕此类结构展开研究。凌道盛等提出了适用于单斜桩水平承载特性分析的修正 曲线及相应的有限元分析方法，研究了斜桩倾角、桩土界面摩擦系数等因素对极限土抗力的影响规律，并给出了斜桩初始地基反力模量确定方法；马庆华等为了得到承台普通倾斜桩（双排桩）体系在水平荷载条件下的工作性状，首先拟合现场实测数据得到土层及桩体的合理参数，然后采用数值模拟手段分析了不同倾斜程度及倾斜方向下体系的变形、受力特征；胡明等基于有限元强度折减法，利用 软件分别对倾斜微型单桩的倾角、设桩位置、锚固深度和桩排距等参数对加固边坡稳定性的影响进行分析；樊文甫等通过数值模拟手段研究在水平荷载作用下带承台倾斜单桩的桩身倾角、长径比以及竖向荷载对桩顶水平位移与桩身弯矩的影响；曾锦秀采用数值模拟对微型桩组合结构在不同倾角下的桩身内力进行分析，发现当桩体倾角为 左右桩身内力较小；刘承昕通过室内模型试验，研究路堤坡脚处均匀砂土地基内斜直桩组合结构变间距工程特性差异，为在路堤坡脚处设置斜直桩组合结构的优化设计提供试验依据；胡鹏通过室内模型试验，研究了路堤破坏出均质砂土中斜直桩工程特性。王孝哲和刘琳琳等采用 软件，应用强度折减法分析了桩顶自由的三排倾斜微型桩群在加固堆积层边坡时桩倾角与支护效果间的规律；曹之烨采用室内模型试验研究砂土中 种不同倾斜度的斜直双排桩在侧向堆载下的土压力、水平位移和弯矩变化规律、分析了破坏形式，同时对模型试验进行了数值模拟分析；刁钰等利用室内模型试验及 有限元软件研究了由冠梁连接的斜竖直交替组合桩在加固边坡时在控制位移、边坡稳定性以及桩身力学特性。周德泉等采用模型试验，针对倾斜软基上桩体复合地基受压时，对桩底插入硬层情况下双单桩、双直桩组合结构以及斜直桩（双排桩）组合结构的桩侧土压力、桩身应变和外侧桩水平位移进行研究，揭示斜直桩组合结构变形机制与破坏模式。综上所示，以往研究对象多为普通的单排桩或双排桩，而对板连式斜直微型桩群加固边坡在不同桩体倾角下的系统研究报道较少。有鉴于此，本文采用三维数值模拟软件，针对均质土坡，系统研究此类结构中斜桩倾角、桩长对组合结构的力学响应及其对边坡稳定性的影响，为合理的组合结构布置型式提供依据。第 期曾锦秀：板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析图 板连式微型桩群加固边坡示意图 边坡三维数值模型.计算模型及边界条件以西南地区某铁路工程沿线一均质粘性土土坡为例，土坡几何尺寸如图 所示。边坡分两级，为确保边坡稳定，拟采用微型桩组合结构对边坡进行加固，单元间距为，为考虑岩土相互作用的空间效应，沿边坡走向取 个 型组合结构单元（如图（）所示）建立 数值模型，每个单元顶部尺寸为.（如图（）所示），厚度为.，顶板由钢筋混凝土浇筑而成，在数值模型中用 单元进行模拟。单元内：后排与前排微型桩桩体倾角（与竖直方向夹角）为，中排桩竖直，微型桩的排间距、列间距均为（为微型桩孔径，.），桩长为，单根微型桩含根直径为 的螺纹钢（如图（）所示）。岩土体与结构的物理力学参数如表 所示。边坡设计安全系数为.。桩土界面力学特性采用切向与法向耦合弹簧模拟，其中切向与法向耦合弹簧刚度分别为：.、.，单位长度的切向、法向耦合弹簧内聚力为.、.，单位长度的切向、法向耦合弹簧摩擦角均为。图 均质土坡三维数值模型华北科技学院学报 年第 期.本构模型及计算参数边坡岩土材料采用弹塑性本构和 破坏准则。顶板和微型桩分别采用 单元与 单元进行模拟（图）。边坡岩土体及支护结构基本力学参数见表。表 边坡岩土体及支护结构力学参数项目（）（）（）（）土体.微型桩.顶板.计算方案采用不同倾角（中排桩竖直）的微型桩组合结构对上述边坡进行加固（图），计算组合结构在设计安全系数下前排、后排桩的倾角分别为、时结构、边坡变形及边坡稳定性。计算结果及分析.组合结构及坡体变形图、图 为组合结构在不同倾角下的桩身变形图与水平位移沿桩身分布曲线图（沿桩身长度方向变化），表 为不同倾角下组合结构水平位移最大值及其出现的位置（以沿桩长方向距离桩顶的距离表示），图 为不同倾角组合结构支护下边坡水平位移云图。由图、图 及表 可知，当桩身倾角为 时，组合结构中三排桩变形、水平位移沿桩身分布情况几乎完全一样，随着桩身倾角的增大，后、中、前三排桩的水平位移逐渐有所不同（主要体现在最大值以下的部位，且在三排桩中前排桩的水平位移最大），桩身变形及桩身水平位移呈现先增大后减小再增大的变化趋势，当桩身倾角为 时，桩身变形（水平位移）的最大值达到最大，其中后排桩、中排桩、前排桩的水平位移分别达到.、.、.；当桩身倾角为 时，桩身变形（水平位移）的最大值达到最小，其中后排桩、中排桩、前排桩的水平位移分别达到.、.、.，此时再增大桩身倾角，各桩桩身水平位移有增大的趋势。同时，各桩桩身水平位移最大值出现的位置随着桩身倾角的增大而逐渐增大。图 不同倾角的桩身变形图由图 可知，坡体水平位移随着组合结构桩身倾角增大也呈现先增大后减小再增大的变化特征，当组合结构前、后排桩身倾角倾角为 时，坡体水平位移达到最大值.，而当桩身倾角为 时，坡体水平位移减小为.。这在一定程度上说明组合结桩身倾角为 左右时对边坡加固效果较好。综上可知，无论对于桩身水平位移还是坡体水平位移，均是当桩身倾角为 时较小，说明桩身倾角为 时组合结构对边坡的加固效果较好。第 期曾锦秀：板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析 图 不同倾角下的桩身水平位移图表 微型桩组合结构变形特征值汇总倾角项目后排中排前排最大值（）.最大值位置（）.最大值（）.最大值位置（）.最大值（）.最大值位置（）.续表倾角项目后排中排前排最大值（）.最大值位置（）.最大值（）.最大值位置（）.最大值（）.最大值位置（）.华北科技学院学报 年第 期图 不同倾角下的水平位移云图（折减.后）.潜在滑面图 为设计安全系数下不同桩身倾角情况边坡的最大剪应变增量云图，图 为不同倾角下的潜在滑面对比图。由图 可知，总体而言，随着桩身倾角的增大，最大剪应变增量最大值先增大后减小，当桩身倾角为 时最大，时最小；边坡潜在滑面由浅变深，尤其当桩身倾角从 变为 时潜在滑面深度增加了约.。图 不同倾角下的最大剪应变增量云图.塑性区分布图 为不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布图，其中“”表示未产生塑性破坏、“”表示正在发生剪切破坏、“”表示之前发生剪切破坏、“”表示之前发生拉伸破坏、“”表示正在发生拉伸破坏。由图可知，不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布范围有所不同，当桩身倾角在 范围时，组合结构底部的塑性破坏单元比桩身竖直（桩身倾角为）时少得多。当桩身倾角为 时，发生剪切破坏的塑性区单元分布范围较小，说明桩身倾角为 时组合结构加固边坡效果较好，这与前面的分析结论是一致的。图 不同倾角下的潜在滑面对比图图 不同桩身倾角下的塑性区分布图 结论（）在相同的条件下，随着桩身倾角的增大，桩身变形及桩身水平位移呈现先增大后减小再增大的变化趋势。当桩身倾角为 和 时，桩身变形（水平位移）分别达到最大和最小值。同时，各桩桩身水平位移最大值出现的位置（距桩顶的距离）随着桩身倾角的增大而逐渐增大。第 期曾锦秀：板连式斜直组合微型桩加固边坡工作性状数值分析（）总体而言，随着桩身倾角的增大，最大剪应变增量最大值先增大后减小，当桩身倾角为 时最大，时最小；边坡潜在滑面由浅变深，当桩身倾角从 变为 时潜在滑面深度增加了约.。（）不同桩身倾角组合结构加固下边坡的塑性区分布范围有所不同，当桩身倾角在 范围时，组合结构底部的塑性破坏单元比桩身竖直（桩身倾角为）时少得多。当桩身倾角为 时，发生剪切破坏的塑性区单元分布范围较小，说明桩身倾角为 时组合结构加固边坡效果较好。（）本文的算例分析表明，当微型桩桩间距为，单元间距为 时，为了较好发挥斜直微型桩组合结构加固边坡效果，建议将组合结构中前排与后排的桩身倾角设置为 为宜。参考文献：刁钰，晋壮壮，黄胜，等.斜竖直交替组合桩加固边坡特性研究.工业建筑，（）：.凌道盛，任涛，王云岗.砂土地基斜桩水平承载特性 曲线法.岩土力学，（）：.马庆华，邵勇，朱进军.水平荷载下承台倾斜桩工作性状的数值分析.长江科学院院报，（）：.胡明，雷用，赵晓柯.倾斜微型桩桩身参数敏感性有限元分析.后勤工程学院学报，（）：.樊文甫，曹卫平.带承台倾斜单桩水平承载变形性状数值分析.长江科学院院报，（）：.曾锦秀.板连式束筋微型抗滑桩群加固边坡机制与计算理论研究.西南交通大学，.刘承昕.路堤加卸载下坡脚处斜直桩组合结构变间距工程特性试验研究.长沙理工大学，.胡鹏.路堤加卸载下坡脚处不同排距斜直组合桩工程性状研究.长沙理工大学，.王孝哲，刘林林.倾斜微型桩群加固堆积层边坡稳定性分析.人民珠江，（）：.曹之烨.侧向堆载下斜桩倾斜度影响斜直双排桩工程特性研究.长沙理工大学，.周德泉，冯晨曦，肖灿，等.倾斜软基上斜直桩组合结构单侧受力破坏模式试验.中国公路学报，（）：.（上接第 页）胡伟，司俊鸿，王乙桥，等.基于 的中国应急装备文献可视化分析.华北科技学院学报，（）：.刘建准，唐霈雯，石密，等.我国突发事件应急管理研究热点与发展趋势研究 基于知识图谱的可视化分析.华北科技学院学报，（）：.何昌原，刘义祥，李驰原，等.基于知识图谱的火灾数值模拟研究可视化分析.消防科学与技术，（）：.崔欣，汪金辉，李杰.基于 池火研究知识图谱分析.消防科学与技术，（）：.游温娇，徐志胜，刘顶立.基于物元分析法的古建筑火灾风险评价.安全与环境学报，（）：.张葭伊，吕淑然，张宇栋.基于 熵权物元可拓模型的古建筑火灾风险等级评价.安全与环境工程，（）：.任国友，戴彩岩，薛怡文，等.基于 的职业卫生研究知识图谱分析.华北科技学院学报，（）：.袁春燕，郎雨佳，王坤.砖木结构古建筑不同风速下火灾蔓延规律研究.消防科学与技术，（）：.陈秀丰.景忠山古建筑群消防问题探讨.消防科学与技术，（）：.马子超，李啸然，肖泽南，等.徽派建筑的火灾风险性分析及