高等土力学高等土力学 (15).pdf

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1、 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50779024，50879039)，“973”计划课题（2010CB732103）作者简介：董威信，男，1988，博士研究生，从事边坡和高土石坝方面的研究工作。微型桩边坡加固效果分析 摘摘 要：要：基于三维快速拉格朗日元法和强度折减法，利用有限差分软件FLAC3D对微型桩边坡加固的效果进行了较为系统的计算，分析了桩径、桩距、桩位和桩的倾斜角度等因素对微型桩加固效果的影响。结果表明，微型桩抗弯刚度小，更适于加固有明显滑裂面且滑裂面下部为基岩或致密土层的边坡。随着微型桩列间距的增大，微型桩的加固效果逐渐减弱，当列间距大于 8 倍桩径时，土体沿桩间产生塑性挤出

2、，结构失效。此外，研究表明，将微型桩布设在边坡 1/51/3 高度处，且桩身与潜在滑裂面成 2530夹角时，可以得到较高的边坡安全系数。桩顶嵌固方式对微型桩的加固效果也有较大影响，桩顶为固接时，加固效果最好。结合算例，研究了微型桩对某黄土边坡的加固效果。关关 键键 词：词：微型桩；FLAC3D；强度折减法；边坡；稳定安全系数 中图分类号：中图分类号：TU 432 文献标识码：文献标识码：A Numerical analysis of the effect of micropiles in slope reinforcement Abstract:FLAC3D and strength redu

3、ction method are used to calculate the effect of micropiles in slope reinforcement,and the influences of pile spacing,pile diameter,pile position and pile angle on reinforcement are analyzed.When column distance is greater than 8D(D is diameter of the micropile),reinforcing effect of micropiles is n

4、ot obvious.To the homogeneous soil slope with a obvious potential slip surface,when micropiles are located at 1/51/3 of the height of the slope,and the angle between the pile and the potential slip surface is about 2530,the factor of safety of slope becomes greater.The factor of safety increases sig

5、nificantly,when micropiles are connected at the top.If the connection type is fixed connection,the reinforcement effect is better.Combined with an example of loess slope,the reinforcing effect of micropiles is investigated.Key words:micropile;FLAC3D;shear strength reduction method;slope;the factor o

6、f safety 1 引言 滑坡是一种常见的地质灾害，给国民经济和人民财产带来重大威胁。滑坡能造成交通中断、河道堵塞、建筑物毁坏等1。由于滑坡会造成严重灾害，需在经济和安全评估的基础上对一些边坡进行治理。微型桩又称小桩、树根桩，是在 20 世纪 50 年代由意大利人Lizzi提出的2。微型桩的直径一般小于 300mm，长细比较大。其施工方法是钻机成孔后采用压力注浆完成。微型桩主要的特点有：施工方便，施工机械体积小，适用于狭窄的场地，对周围建筑设备的影响较小；施工震动小，噪音小，对周围环境和居民的影响较小；桩位布置非常灵活，可以布置成斜桩。微型桩的布置形式如桩径、桩距、桩位、桩身倾斜角度等，对于

7、边坡加固效果有重要影响。Bruce D A研究表明3，侧向受力的微型桩群，当排间距达78 倍桩径时，忽略排间的群桩效应；当列间距达3 倍直径时，忽略列间的群桩效应；与同样数目竖直微型桩相比，含有斜桩的微型桩群，可以提供更大的横向抗力。孙书伟等研究表明4，微型桩群顶部承台的作用使微型群桩的整体刚度得到了提高，但会在后排桩顶部产生较大的负弯矩，前排桩顶产生较大的正弯矩。综上所述，微型桩加固边坡是防治滑坡的一种较新的技术，目前对其加固效果和各因素的影响程度研究较少。因此，本文对微型桩加固边坡的影响微型桩边坡加固效果分析 因素进行了系统的数值分析，为微型桩的设计提供依据。2 研究方法 本文基于三维快速

8、拉格朗日元法和强度折减法，采用有限差分软件FLAC3D进行计算分析。该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形5。本文中对安全系数的计算方法是强度折减法。安全系数定义如下：当边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩土体的抗剪强度进行折减的程度，即为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后抗剪强度的比值6。强度折减法的要点是利用公式（1）和公式（2）来调整岩土体的强度指标c和。然后对边坡稳定性进行数值分析，不断增加折减系数，反复计算，直至其达到临界破坏，得到的折减系数即为安全系数Fs5。（1）trialFFcc/=)/a

9、rctan(tantrialFF=（2）式中：是折减后的粘聚力，FcF是折减后的摩擦角，是折减系数。trialF现行的边坡失稳判据主要有以下几种：（1）以数值计算的收敛性作为失稳判据；（2）以特征部位位移的突变性作为失稳判据；（3）以塑性区的贯通性作为失稳判据5。在FLAC3D中求解安全系数时，计算过程中，只要满足以上三个标准中的任何一个，便退出当前计算。本文研究采用在一定时步内是否达到收敛标准（不平衡力比率小于 1e-5）为失稳判据。在本文的计算分析中，土体采用修正的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。微型桩结构采用FLAC3D的结构单元Pile进行模拟。单元节点和网格刚性链接，在网格变

10、形过程中产生力与弯矩。3 微型桩布置形式对加固效果的影响 3.1 计算模型和参数计算模型和参数 图 1 为边坡模型断面尺寸，长 35m，高 10m，厚 2S（S为桩的列间距），坡率为 1：1.5。微型桩采用结构单元中的Pile单元模拟，模型桩由 2 排 2 列微型桩组成。Lx为桩的位置到坡脚的距离。Lx10.0m20.0m35.0m10.0m15.0m10.0m 图图 1 模型尺寸模型尺寸 Fig.1 Model size 土体采用 8 节点实体单元，模型四周为水平位移约束，底部采用固定边界。土体参数为密度 2000 kg/m3，粘聚力 15.0 kPa，内摩擦角 20，弹性模量 100 MP

11、a，泊松比 0.3。微型桩力学参数为弹性模量 25.0 GPa，泊松比 0.2。3.2 桩径和桩距对边坡加固效果的影响桩径和桩距对边坡加固效果的影响 本节首先分析了边坡自然状况下的稳定性特征，然后计算分析了加桩以后，桩径和桩距（列间距）对安全系数的影响。在不设桩的情况下，通过FLAC3D计算得到安全系数是 1.38。在设有微型桩的情况下，安全系数与桩距和桩径的关系见图 2。从图 2 可以看出，设桩以后边坡的稳定性有了一定程度的提高。在桩径一定的条件下，列间距越大，安全系数越小，且随着列间距的增大，安全系数减小的幅度也呈减小的趋势。对于桩径为 100mm 的微型桩群，当列间距达到 8 倍桩径以后

12、，安全系数较不设桩的情况下提高不明显，说明土体在桩间发生了塑性挤出，微型桩加固结构失效。1.31.41.51.61.71.80246810安全系数桩距/桩径桩径为100mm桩径为200mm桩径为300mm 图图 2 不同桩距和桩径下边坡的安全系数不同桩距和桩径下边坡的安全系数 Fig.2 The factor of safety corresponding to different pile spacings and pile diameters 3.3 桩位对边坡稳定的影响桩位对边坡稳定的影响 为了比较桩位对安全系数的影响，微型桩取了相同的长度 10.0m，分别布设在由低到高共 9 处不同的

13、位置。桩位用Lx/L表示，其中Lx为桩位至坡脚的距离，L为坡的水平长度。2 微型桩边坡加固效果分析 表 1 和图 3 是不同桩位下边坡安全系数的计算结果。结果表明，微型桩布置在坡脚时（即Lx/L=0），微型桩基本没有加固效果，因为潜在滑裂面是通过坡脚的；当微型桩布设在边坡靠下位置时，安全系数是最大的。图 4 标明了素坡的潜在滑裂面与不同的微型桩桩位的相对位置，可以发现：在边坡1/51/3 高度处，塑性贯通区域离坡面较近，这样微型桩在滑裂面以下的嵌固段长度就会相对较长，锚固作用更强，从而提高边坡稳定性。表表 1 不同桩位下边坡的安全系数不同桩位下边坡的安全系数 Table 1 The facto

14、r of safety corresponding to different pile positions 桩位（Lx/L）0 1/6 1/3 5/12 1/2 7/12 2/3 5/61 安全系数 1.41 1.59 1.55 1.50 1.50 1.50 1.51 1.521.473 1.21.41.61.80.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 安全系数桩位（Lx/L）图图 3 不同桩位下边坡的安全系数不同桩位下边坡的安全系数 Fig.3 The factor of safety corresponding to different pile positions 图图

15、 4 潜在滑裂面与不同的微型桩桩位潜在滑裂面与不同的微型桩桩位 Fig.4 Slip surface and pile positions 微型桩是一种侧向受荷桩，在桩后滑坡推力的作用下，结构依靠滑动面以下桩身的锚固作用和桩后土体的被动抗力，以及桩前土体的剩余抗滑力来维持稳定。因此微型桩结构适合有明显潜在滑裂面的边坡，而且滑动面以下应为强度较高的密实土层，该结论与文献7较为吻合。综上可知，对于有明显滑裂面的简单土质边坡，将微型桩布置在 1/51/3 高度处可以起到更好的加固效果。3.4 微型桩的倾斜角度对边坡加固效果的影响微型桩的倾斜角度对边坡加固效果的影响 在分析桩位对安全系数的影响时，微型

16、桩取了相同的长度 10.0m。与坡面（向下）呈 60、90、120、150将微型桩布设在坡中。表 2 和图 5 是不同倾斜角度下边坡安全系数的计算结果。结果表明，当桩布设与坡面呈 120 度左右的夹角时，边坡的安全系数最大。此时，桩身与潜在滑裂面成 2530夹角。当桩身与潜在滑裂面成 2530夹角时，在滑坡推力和锚固段抗力的共同作用下，微型桩更易发挥其抗拉能力，从而提高边坡的稳定性，建议在微型桩设计时，设置一些与滑裂面成 2530夹角的斜桩。表表 2 不同倾斜角度下边坡的安全系数不同倾斜角度下边坡的安全系数 Table 2 The safety of factor corresponding

17、to different pile angles 倾斜角度/60 90 120 150 安全系数 1.50 1.58 1.69 1.48 1.41.51.61.71.8050100150200安全系数倾斜角度/图图 5 不同倾斜角度下边坡的安全系数不同倾斜角度下边坡的安全系数 Fig.5 The factor of safety corresponding to different pile angles 3.5 桩顶嵌固方式对边坡稳定的影响桩顶嵌固方式对边坡稳定的影响 计算中桩顶嵌固方式分铰接和固接两种，微型桩采用结构单元Pile，顶梁采用结构单元Beam。计算中共分高（Lx/L=2/3）、

18、中（Lx/L=1/2）、低（Lx/L=1/3）三个桩位进行计算。表 3 为九种计算方案下边坡的安全系数。可以看出，将微型桩顶端嵌固起来以后，边坡的安全系数有所增大，固接条件下边坡的安全系数大于铰接情况下边坡的安全系数。同时可以看出，微型桩布置位置较低时，安全系数提高的很大。表表 3 不同桩顶嵌固方式下边坡的安全系数不同桩顶嵌固方式下边坡的安全系数 Table 3 The factor of safety corresponding to different connection types 微型桩边坡加固效果分析 安全系数 桩位（高）桩位（中）桩位（低）不嵌固 1.59 1.45 1.55 嵌

19、固方式（铰接）1.60 1.51 1.61 嵌固方式（固接）1.60 1.54 1.68 4 4 算例 4.1 边坡模型及参数边坡模型及参数 工点边坡位于黄土高原地区，输气管道沿山梁间狭窄的黄土崾岘（黄土崾岘是黄土梁两侧冲沟由于溯源侵蚀几乎将梁脊切穿，形成非常狭窄的鞍部连接）通过，加宽原崾岘顶梁后，形成顶宽 9 m，高近 30m 的填土边坡。坡体的地层主要为中更新统黄土、上更新统黄土及人工填土层。图 6 为该边坡计算断面。表 4 为土体材料参数。图图 6 边坡断面边坡断面 Fig.6 Section of slope 表表 4 算例土体参数算例土体参数 Table 4 Soil paramet

20、ers 土层 密度/kgm-3粘聚力/kPa 内摩擦角/体积模量/MPa 剪切模量/MPa 人工填土 1450 15 20 15 11.5 上更新统黄土 1550 50 23 25 15.0 中更新统黄土 1600 55 25 30 20.0 4.2 自然状态下边坡稳定性分析自然状态下边坡稳定性分析 图 7 是计算网格，是由代表断面简化所得。在 图图 7 模型网格模型网格 Fig.7 Model grid 建模时，首先将断面CAD图导入Ansys进行网格划分，最后利用接口程序导入FLAC3D。网格为三维 计算网格，长 56m，高 30m，厚 10m，模型底部受竖直方向位移约束，侧边界受水平位移

21、约束。模型共 9779 个节点，7550 个单元。图 8 为计算得到的剪切应变增量云图。从数值和图像上可以看出，填土层的底部是该边坡潜在滑裂面。图图 8 剪切应变增量云图剪切应变增量云图 Fig.8 Contour of shear strain increment 经过计算得到未加固之前边坡的安全系数是1.26。4.3 微型桩加固效果分析微型桩加固效果分析 加固时，桩径取为 150mm，列间距取 1.0m，约为 67 倍桩径。在上面两级边坡，将微型桩布置成大致与潜在滑裂面呈 30夹角。下面边坡设置竖直微型桩，位于边坡靠下的位置。加固措施如图 9所示。上层和中层边坡布置四排七列与潜在滑裂面呈3

22、0夹角的微型桩群；下层边坡竖直布置四排七列微型桩群。图图 9 微型桩布置微型桩布置 Fig.9 Micropiles layout 微型桩加固后，边坡的安全系数提高到 1.55，说明加固措施是有效的。布置在上层和中层的微型桩可以充分发挥其抗拉强度，起到“强腰”的作用。布置在底层的微型桩可以起到“固脚”的作用。这样微型桩群起到“固脚强腰”的作用，从而可以提高边坡的稳定性。微型桩边坡加固效果分析 5 5 结论 将微型桩用于边坡加固是一种较新的技术，目前对微型桩加固机理和设计理论的研究较少且不成熟，本文基于快速拉格朗日元法和强度折减法，利用有限差分软件FLAC3D对微型桩边坡加固的效果进行了较为全面

23、的计算分析。主要结论如下：（1）微型桩抗弯刚度小，更适于加固有明显滑裂面且滑裂面下部为基岩或致密土层的边坡。（2）桩距、桩径是影响微型桩加固效果的重要因素。对于桩径较小的微型桩群（如 100mm），当桩距大于 8 倍桩径时，土体沿桩间产生塑性挤出，微型桩加固结构失效。（3）对于有明显潜在滑裂面的均质土坡，将微型桩布设在边坡 1/51/3 高度处，而且桩身向坡脚倾斜，与潜在滑裂面成 2530夹角时，加固边坡的效果最好，可以得到较大的边坡安全系数。（4）将微型桩顶端嵌固起来，可以较为明显地提高边坡的安全系数。当嵌固方式为固接时，加固效果最好。桩位也是影响嵌固效果的重要因素，微型桩布置位置较低时，嵌

24、固效果较好。（5）工程实例表明，与自然斜坡的稳定性相比，采用本文所述方法加固后边坡安全系数提高较为明显，加固措施积极有效，可供实际工程借鉴和参考。参考文献参考文献 1 陈祖煜.土质边坡稳定分析M.北京:中国水利水电出版社,2003.2 JURAN H,BENSLIMANE A,BRUCE D A.Slope stabilization by micropile reinforcementC/International Symposium on Landslides.S.l.:s.n.,1996：17151 726.3 BRUCE D A,CADDEN A W,SABATINI P J.Prac

25、tical advice for foundation designmicropiles for structural supportC/GSP 131 Contemporary Issues in Foundation Engineering,ASCE,2005:125.4 孙书伟,朱本珍,马惠民,杨让宏.微型桩群与普通抗滑桩抗滑特性的对比试验研究J.岩土工程学报,2009,31(10):1564-1570 5 陈育民,许鼎平.FLAC/FLAC3D 基础与工程实例M.北京:中国水利水电出版社,2009.6 Itasca Consulting Group Inc.FLAC-3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions),Version 3.00,Users Manual(Volume V)R.USA:Itasca Consulting Inc,2005 7 吴文平.抗滑微型桩组合结构的计算理论研究硕士论文 D.成都:西南交通大学,2008.