邱志华

(1 福建省建筑科学研究院有限责任公司，福建福州 350108；2 福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州 350108)

0 引言

门架式抗滑桩（以下简称门架桩）整体刚度较大、结构内力分配较合理，且具有良好的护坡效果，因此在治理滑坡工程中极具开发潜力。但目前对于门架桩的研究还不够深入，导致门架桩结构的计算分析理论较为薄弱。门架桩的抗滑机理研究不仅存在抗滑桩与滑坡体的相互作用问题，同时桩体本身各种因素的变化也将导致桩身受力和变形的改变，其受力与变形受诸多因素影响，因此对门架桩的结构优化设计的研究就显得非常重要。许多学者对双排抗滑桩的计算方法进行了研究，但对门架桩的报道相对较少。毛晓光等[1]采用有限元软件ABAQUS 建立有、无桩顶连梁2 个模型，探讨了双排抗滑桩与桩顶连梁组成的空间结构的受力机理。杨明等[2]采用ABAQUS 有限元软件建立平面非线性弹塑性有限元模型，研究连系梁的截面尺寸，厚度变化、材料性质对双排桩连系梁的作用机理。邹盛堂等[3]采用ABAQUS 有限元软件建立了双排抗滑桩和门架桩治理顺层滑坡的三维数值分析模型。申永江等[4]采用ANSYS 有限元软件建立双排抗滑桩有限元模型，分析研究桩顶连接方式对抗滑桩的侧向位移分布和内力分布的影响，分析了前后排4 种桩顶连接方式。李恒杨等[5]采用ABAQUS 建立圆形与矩形截面门架式抗滑桩的三维数值模型，探讨了桩身材料以及桩顶连系梁的刚度对桩身位移和内力的影响。于洋等[6]采用FLAC3D程序建立简化的双排抗滑桩数值计算模型，研究有、无连系梁双排抗滑桩前排和后排抗滑桩锚固深度变化对变形、内力和抗滑力的变化规律。

大多学者都将门架桩边坡的治理按二维平面模型来考虑。为此，本文通过ABAQUS 有限元软件建立三维数值模型，与独立的双排抗滑桩进行对比分析，为抗滑桩在滑坡治理中的设计计算提供参考。

1 有限元模型

1.1 模型构成

门架桩室内大型模型试验于专用土工模型试验槽内进行，尺寸为长× 宽× 深=6m×3m×3m，如图1 所示。

图1 室内模型全景图

模型桩：连系梁截面尺寸为高×宽=10cm×10cm；双排圆形钢管桩直径均为10cm，前后排桩长度分别为2m、2.2m；连系梁与圆形管桩壁厚均为2mm。滑坡土体：试验中锚固段滑床和受荷段滑体材料均采用中细砂填筑，并注水使填土达到饱和状态。滑动面：以2cm 厚光滑木板模拟滑坡失稳破坏时滑动面。基岩：桩底浇筑混凝土。模型试验剖面如图2 所示。

图2 室内模型剖面图（单位：m）

1.2 本构模型

三维数值模型由门架桩、滑动面、土体以及基岩等四部分组成，均用实体单元模拟。滑坡土体采用Mohr-coulomb 理想弹塑性体，其余各部分均采用线弹性模型，如图3 所示。接触模型：接触模拟采用Coulomb 摩擦模型。边界条件：对模型的左右及前后施加相应轴向位移约束；对底部施加固定约束；坡顶、坡面及坡脚为自由边界。

图3 三维有限元模型及网格划分

1.3 材料参数

计算模型中抗滑桩和岩土体物理力学参数资料详见表1。

表1 岩土体和桩的物理力学参数

2 模拟对比分析及结果

图4 为两种抗滑桩的前后排抗滑桩的桩身前后土压力分布。对于受荷段即滑面以上部分，双排抗滑桩的前排桩桩后土压力接近于抛物线分布，而门架桩前排桩桩后接近于三角形分布，且两种抗滑桩后排抗滑桩桩后土压力相差不大；后排桩桩后的土压力均接近于三角形分布，且门架桩中的后排抗滑桩桩后土压力大于双排抗滑桩中的后排抗滑桩桩后土压力；两种抗滑桩的前、后排抗滑桩的桩前土压力分别均接近于倒三角形分布和直线分布，两种抗滑桩的土压力也较为接近，且土压力值较小。对于滑面以下部分，后排桩抗滑桩的桩后土压力分两段，上半段土压力为零，下半段土压力均接近于梯形分布；前排桩抗滑桩桩后土压力均接近于直线分布，且门架桩大于双排抗滑桩；后排抗滑桩桩前土压力接近于倒三角分布，前排抗滑桩桩前土压力上半段接近于三角形分布，下半段土压力为零，且土压力较为接近。两种抗滑桩后排桩的土压力均要比前排桩大，且门架桩土压力明显比双排抗滑桩土压力大。

图4 桩体前后土压力

图5 为两种抗滑桩的前后排抗滑桩的桩身位移分布。独立双排抗滑桩前后排桩桩身水平位移变化规律基本相似，接近于倒三角形分布且后排桩整体位移要大于前排桩；前后排桩最大水平位移均发生于桩顶位置。门架桩前后排桩整体的水平位移均近似呈向上的凹曲线分布，前后排桩的位移相差很小。从桩身位移变形形态来说，门架桩的位移变化趋势要比无连梁双排桩的位移变化趋势平缓，这说明门架桩在支护过程中不易产生剪断或者折断的现象。连系梁在门架桩支挡结构中起到位移协调作用，同时使得前后两排桩形成一个整体，增大了门架桩的整体抗滑刚度。可见，门架桩可以更有效地控制边坡失稳。

图5 桩体位移

图6 为两种抗滑桩的前后排抗滑桩桩身弯矩分布。双排抗滑桩前后排桩桩身弯矩变化规律基本相同，弯矩均呈“V”字型分布，最大值均发生在滑动面以下的锚固段处，且均为正值，即不存在反弯矩，说明独立双排桩均为单向弯曲。门架桩滑动面附近以上部位与以下部位，桩体双向弯曲，弯矩形状大致呈“S”型，桩顶以下至滑面范围内有负弯矩出现。双排抗滑桩的弯矩最大值均要大于门架桩，后排桩的弯矩最大值均要大于前排桩的最大值。由于门架桩前后排桩间连系梁的设置，使得结构由原本静定转变为超静定刚架结构，连系梁与前后排桩的连接处形成负弯矩，从而使得滑动面以下锚固段的最大弯矩大大减小，这对实际工程是有利的。

图6 桩体弯矩

图7 为两种抗滑桩的前后排抗滑桩的桩身剪力分布。独立双排抗滑桩前、后排桩桩身剪力变化规律基本相同，滑面以上受荷段近似呈三角形分布，滑面以下锚固段近似呈矩形分布。门架桩前后排桩剪力在滑动面以上分布相似；滑动面以下剪力分布前后排桩剪力分布趋于等值直线。这两种抗滑桩滑动面以上剪力分布较为接近，滑动面以下门架桩略大于双排桩，且前排桩的剪力总体上要比后排桩来的小。

图7 桩体剪力

表2 为有/无连梁工况下桩身水平位移及内力等对比情况。从表中可以看出，门架桩及独立双排抗滑桩最大水平位移分别约为8.5mm、19.7mm；无论是前排桩还是后排桩、桩顶或桩身位移，独立双排桩的位移都要远大于门架桩的位移；门架桩前后排桩桩顶位移相差较小，而独立双排桩顶位移后排桩明显要大于前排桩；门架桩的最大水平位移约为独立双排桩最大水平位移的1/2。门架桩与独立双排抗滑桩的前后排桩最大正剪力值相差不大。门架桩前后排桩的最大正弯矩分别约为独立双排桩前后排桩最大正弯矩的2/3，且门架桩由于连系梁的存在相比独立双排桩，无论是弯矩还是剪力值均存在负值，说明连系梁对前、后排桩的影响作用比较大，它的存在大大减小了双排桩的弯矩值，这对门架桩是受力有利的。

表2 有/无连梁工况下桩体水平位移及内力对比

综上所述，门架桩内力和位移分布均要比双排抗滑桩的情况更加合理，因此，在实际工程的滑坡治理中应优先采用门架桩。

3 结论

本文运用ABAQUS 有限元软件建立三维数值模型、考虑双排桩结构参数的影响，对双排桩的工作性状进行了详细的数值模拟分析，得到如下结论：

1）对于门架抗滑桩和双排抗滑桩，门架桩的最大水平位移约为独立双排桩最大水平位移的1/2。门架桩前后排桩的最大正弯矩约为独立双排桩前后排桩最大正弯矩的2/3，后者的位移、内力明显小于前者，且后排桩的变形、内力均大于前排桩的变形、内力。

2）门架桩由于联系梁的存在相比独立双排桩，弯矩和剪力均存在负值，连系梁存在大大减小了双排桩的桩身弯矩值，这对门架桩是受力有利的。门架桩在桩身受力与阻滑效果等方面要优于独立双排抗滑桩，在工程设计中应优先选择门架桩进行滑坡的治理。