邊坡支護樁工作機理有限元分析

宋丹丹

摘 要：支護樁是加固邊坡的一項重要工程措施，利用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型進行分析，比較不同樁間距對土拱效應(yīng)的影響，分析土體各參數(shù)對樁、土的荷載分擔(dān)比的影響，另外，通過給模型施加初始應(yīng)力場的方式，研究不同圍壓下的樁的荷載分擔(dān)比的變化情況。其次采用土體強度參數(shù)折減法，系統(tǒng)地分析具有不同樁間距邊坡-支護樁系統(tǒng)，求得各種情況下的邊坡安全系數(shù)，總結(jié)出樁間距對邊坡穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：支護樁；ABAQUS有限元軟件；土拱效應(yīng)；樁間距；邊坡安全系數(shù)

1.引言

支護樁，亦稱抗滑樁，作為加固邊坡的一項重要的工程措施，在世界各地得到廣泛地應(yīng)用，然而一般的研究支護樁內(nèi)力的方法都是將樁與土分開研究，而忽略了樁與土的相互作用，對于支護樁加固邊坡的作用機理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。另外，支護樁形成的土拱效應(yīng)也是樁土相互作用的一種形式，至今為止，對于土拱效應(yīng)的認(rèn)識還不夠充分。因此進行支護樁加固邊坡的數(shù)值模擬計算研究對于認(rèn)清支護樁的抗滑機制以及樁的土拱效應(yīng)有著深遠的理論意義，同時對于邊坡加固工程中支護樁設(shè)計的合理、安全、經(jīng)濟等有著重要的現(xiàn)實價值。

2.土拱效應(yīng)

2.1 基本假定以及計算模型

2.1.1 基本假定

將研究對象簡化為平面問題，樁體采用方樁。假設(shè)方樁的邊長為b，樁間距為s，樁前后土體范圍取為25b，同時模型左右邊將x方向約束，下邊將y方向約束，上邊施加均布荷載。土體采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，樁采用彈性材料模擬，樁土接觸面上的共同作用采用庫侖摩擦模擬。

2.1.2計算模型

取方樁的邊長b =2m，樁間距s = 4b=8m，樁與土摩擦系數(shù)，均布荷載p =15kpa。土體以及樁的參數(shù)見表1。

2.2 土拱效應(yīng)計算結(jié)果分析

2.2.1土體參數(shù)對土拱效應(yīng)的影響

由圖5可以看出隨著內(nèi)摩擦角的增大，樁的荷載分擔(dān)比也增大，土拱效應(yīng)越明顯。另外，當(dāng)粘聚力較小時，這種影響更顯著。

由圖6可以看出隨著粘聚力的增大，樁的荷載分擔(dān)比增大，土拱效應(yīng)越明顯。但是粘聚力增大到一定程度時這種影響作用反而變小。

2.2.2圍壓對土拱效應(yīng)的影響

將上面s = 5b的平面模型擴展為1m厚的三維模型，其他參數(shù)不變（見表1）。然后通過對該模型施加初始應(yīng)力場的方式，分別對圍壓為0kpa、13kpa、26kpa、52kpa、86.7kpa、130kpa、173.3kpa的情況進行計算，分析不同的圍壓對樁的荷載分擔(dān)比的影響。由圖7可以看出施加的圍壓較小時，對土拱效應(yīng)的影響較明顯，當(dāng)圍壓增大到一定數(shù)值時，圍壓對土拱效應(yīng)基本上沒有影響。

3.支護樁的布置形式對邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 基本假設(shè)及計算模型

本章將利用ABAQUS有限元軟件建立一個三維的有限元模型，模型的幾何尺寸見圖8，邊坡坡高為10m，縱長為15m，坡度為1：1.5，土體重度支護樁采用方樁，邊長b=2m，樁間距s = 3b。土體采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，樁采用彈性材料模擬，樁土接觸面上的共同作用采用庫侖摩擦模擬。樁與土的摩擦系數(shù)為0.5。土體以及支護樁的計算參數(shù)見表2。

3.2 計算結(jié)果分析

設(shè)支護樁的中心軸到坡腳的水平距離為，邊坡的水平總距離為

L。取的位置處，對支護樁的樁間距分別為s = 3b、5b、7b進行

分析計算。下面將對比不同樁間距對于邊坡穩(wěn)定性的影響。

對比圖9、10、11可以看出，隨著樁間距的增大，最大的等效塑性應(yīng)變值增大，等效塑性應(yīng)變的區(qū)域也增大，邊坡的穩(wěn)定性降低，破壞的可能性越大。

S=3B.PNG

由圖12可以得出：隨著樁間距的增大，邊坡安全系數(shù)降低，樁加固邊坡的作用越來越小，邊坡也就越不穩(wěn)定。

4.結(jié)論

本文應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，模擬分析邊坡支護樁的作用機理，就土拱效應(yīng)以及支護樁的布置形式對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了研究，通過計算得到如下結(jié)論：

1）隨著樁間距的增大，樁的荷載分擔(dān)比減小，土拱效應(yīng)越不明顯。

2） 隨著土體內(nèi)摩擦角的增大，樁的荷載分擔(dān)比增大，即樁承擔(dān)的荷載增大。內(nèi)摩擦角越大這種影響越小。

3）隨著土體粘聚力的增大，樁的荷載分擔(dān)比增大，土拱效應(yīng)越明顯；當(dāng)粘聚力繼續(xù)增大時這種影響變小。

4）當(dāng)圍壓較小時，隨著圍壓的增大，樁的荷載分擔(dān)比增大；當(dāng)圍壓增大到一定數(shù)值時，圍壓對樁的荷載分擔(dān)比基本沒有影響。

5）樁位一定時，隨著樁間距的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)減小，邊坡穩(wěn)定減弱，邊坡破壞的可能性增大；

6）對于設(shè)有支護樁的邊坡而言，邊坡破壞時，塑性區(qū)主要發(fā)生在樁側(cè)，而兩樁之間的土體塑性變形很小，而且越靠近中間，塑性變形越??；

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