摘 要：利用三维有限元软件对某微型钢管群桩加固土质边坡的现场试验进行模拟，研究不同结构设计参数和桩周岩土体参数对群桩抗滑特性的影响。结果表明：桩间距对排桩的影响最大。合理的排间距会加强桩土复合作用，使得排桩更好的发挥抗滑的效能。E值是对桩顶位移影响最大的因素，c值对位移的影响处于E与φ之间桩顶位移随c值增大呈线性减小。桩顶位移随φ值先呈线性递减关系，然后趋于平稳。桩顶位移与E值呈反比例关系。
关键词：边坡工程；三维有限元；微型钢管桩；群桩；抗滑特性；影响因素
小直径钢管桩是预成孔插入或轻型机械打入带孔的小直径空心钢管，并在平面上布设成一定形状，再向管内高压灌注水泥砂浆。注浆压力作用下，水泥砂浆在滑动面处可以扩散到很大的范围，浆液凝固后，使滑动面附近土体形成“水泥土”，使滑动带土层的性质得到改善。同时，由于浆液的渗透性，将滑体和滑面下稳定岩、土层粘聚形成一个扩散的复合体，从而改善了滑面处土体的抗滑作用[1]。具有比同直径的普通抗滑桩抗弯强度高数倍；抗倾覆力强；布桩形式灵活多变；加固见效快；压力注浆具有多种效果；施工迅速安全；施工时对边坡扰动小；适应性强；施工费用较低等优点[2]。本文结合四川某地区钢管排桩现场试验实测，采用岩土有限元分析软件plaxis对现场试验进行数值模拟。
1 有限元计算模型
为保证计算精度，桩周围土应该有足够大的范围。本模型的几何尺寸为：长×宽×深=157m×50m×80m。桩顶通过贯梁将桩联系起来，使整个微型钢管桩体系和桩间岩土体作为一个整体结构进行工作。
模型中包括滑体、滑带、滑床、小直径钢管排桩结构及模拟堆载区的荷载。其土层依次为滑体（含块石黏土）、滑带（低塑性粘土）、滑床（弱风化泥岩）。岩土体材料按弹塑性材料考虑，均服从莫尔-库伦屈服准则；小直径钢管排桩结构均视为线弹性材料，钢管桩采用embedded pile 单元模拟，桩径0.18m，桩顶连系梁采用beam单元，进行模拟，截面为0.4m×0.4m。土层及材料计算参数如表1、2所示。
现场荷载试验的桩长为18m，桩径为180mm，桩间距及排间距均为1.5m。模型中将荷载作用在一块板上，分四级加载。
2 计算结果与实测对比
由图2、3可知，有限元计算的位移和弯矩结果与现场试验结果趋势一致，符合良好，说明了有限元计算中，土的参数的选取基本上能够反映实际的地质条件和桩-土之间的相互作用。因此，我们的模型能很好的模拟现场荷载作用下桩与土间的相互作用，能很好的模拟现场情况。
3 影响因素对比分析
计算结果分析：通过改变桩的桩间距、排间距、桩长；滑体的c、φ、E来比较各因素对排桩的影响。由于钢管桩抗剪强度较大，本文主要从钢管桩的位移和桩身弯矩对钢管排桩进行受力分析。
3.1 桩间距影响分析
排桩的桩间距越大，单桩受力越大。排桩之间存在着土拱效应，即土体在荷载作用下的锲紧，以限制桩间土体的滑出，并将桩后坡体压力传递到两侧桩上，此时相邻的两桩起到了拱脚的作用。土体将滑坡推力传给桩，使得土体不从排桩间溜出[3]。桩间距在合理距离的情况下，土拱效应能最好的发挥其抗滑作用。当桩间距过大时，桩间土土拱效应不能抵抗荷载时，土体溜出破坏。
从图4、5可以看出，当桩间距小于2.5m时，随着桩间距的增大，桩顶位移在增大，弯矩也在增大，但增大的很小。当桩间距为3m时，桩间距与桩径比值为16.67，桩顶位移突然变小，这是因为桩间距3m时，桩间土体溜出，土拱效应破坏。使得传递到桩上的力骤减。同时反应在弯矩图上是弯矩的骤减。还可以看出，桩距为3m时，滑动面加深。在桩间距为1.5～2.5时，桩的位移，最大弯矩随桩间距变化较小。
3.2 排距的影响
排桩相当于一个插入土体的刚架，能够靠基坑以下桩前土的被动土压力和刚架插入土中部分的前桩抗压、后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩，桩土之间的相互作用不容忽略[4]。桩的刚度影响着桩的挠度，因而桩的刚度也成为桩侧向承载力的一个主要因素[5]。排间距增大，桩土整体刚度增大，但过大时，相当于分级设桩，桩与土不能形成一个整体；排间净距为0时，土的作用没有得到发挥，相当于将桩的厚度增大。在滑坡治理中，我们希望滑坡荷载尽可能的传递到抗滑桩，若桩承受的力越大，即桩分担的荷载越多。
从图6、7中可以看出，排距为2.5m时位移最小，但是变化不明显。随着排间距的增大，后排桩的弯矩在增大。中排桩和前排桩弯矩呈先减小后增大的趋势。排距为2.5m时前排桩和中排桩弯矩最小，分别为-12.48kN*m、-16.22kN*m；而后排桩为-20kN*m。排桩的前中后三排桩的弯矩差距比较明显，且前排桩的受力已经很小，所以排桩不能发挥同等的抗滑效果。排距超过2.5m时，前中后三排桩弯矩均增大，桩土相互作用减弱，相当于分级设桩，类似于拉结桩的特性，排桩之间不能形成良好的桩土复合作用。[6]
在滑坡治理中，排桩的前中后三排桩承受的滑坡推力是不同的，所以在双排桩设计中应该选择合适的桩排距，前中后三排桩采用不同的配筋方式和截面尺寸，以更好的发挥抗滑桩的效能。[7]
3.3 桩长的影响
桩具有分担荷载、应力传递和扩散作用，桩体通过应力传递作用，将不稳定岩土体内部分应力传递到稳定岩土体中，并分散在较大范围的岩土体内，从而降低坡体应力集中程度，起到稳定滑（边）坡的作用。滑面下一定长度，桩后滑床抗力由于桩身与桩后土体的脱空基本为0[8]。所以桩的长度决定了桩将荷载是否传到稳定岩层中去。
从图8、9中可以看出，桩长对位移影响较小。弯矩随着桩长的增长先增大后趋于稳定。说明随着桩长的增长，桩传递的荷载增大，受力更为合理，抗滑作用增大；当桩长超过17m后，再增加桩长已经对抗滑作用不明显，基本抗滑力不在增加。一味地增加桩长对提高微型桩抵抗水平位移的能力和抗滑力作用不大[9]。本例中最佳桩长为17m。
3.4 粘聚力c对排桩影响
c值大，说明土体的整体性较好。c值为13、18、23、28时，桩顶位移分别为49.33mm、45.65mm、39.96mm、36.28mm。从图10、11中可以看出，随着c值得增大，桩顶位移在逐渐减小，减小趋势基本与c值变化成正比。因为c值越大，滑坡下滑力也就越小。
随着c值增大，弯矩一直减小。c值增大，滑坡下滑力减小，同时桩前土体抗滑力也增大，所以弯矩一直在减小。内聚力增大5kPa，弯矩减小约2kN·m。
3.5 内摩擦角φ对排桩影响
内摩擦角φ反应了土体之间的摩擦强度。从位移图12中可以看出，随着φ值增大，桩顶位移减小。
从图13中可以看出，φ值增大，位移迅速减小。φ值从12°到22°再到32°，位移分别减小12.5mm、7.7mm。位移减小，说明从整体看，滑坡推力在减小。随着φ值增大，弯矩一直减小。φ值增大，土自身的稳定性增强，所以弯矩一直在减小。
3.6 压缩模量对排桩影响
压缩模量反应的是土在侧向受限受压时的变形。是土体刚度的体现。土体压缩一般是看做土中水和气体从空隙中被挤出，土颗粒靠拢靠紧。同一种土，若E值越大，说明其越密实。由于土的抗剪强度由土骨架承受。所以同一种土，E值是c、φ的综合体现。E值越大，反应的c值也大。
随着E值的增大，后排桩位移迅速减小，E值从5MPa到7MPa，再到10MPa，再到15MPa，再到20MPa。位移分别减小19.6mm、12.3mm、12.4mm、3.5mm。
随着E值增大，弯矩一直减小。E值大，土的刚度也越大，在较小位移的时候，剪力都会比较大。同时，反应的c，φ值也大，土体自身稳定性也增大，桩前抗力也在增大，所以弯矩随E值增大减小。如图14、15。
3.7 归一化处理
以原土体参数为基准，改变后的桩间距除以原来的桩间距1.5m，同样处理排间距与桩长、土体参数。得到的归一化图。从图16、17中我们可以看出，桩身参数中，桩间距对位移影响较大，但桩间距为3m时，即归一化后参数为2，桩顶位移迅速减小，土从桩间溜出。
土体参数中，可以看出，在现在土体情况下，土的压缩模量对桩顶位移影响最大。位移与压缩模量E值呈反比例关系，与粘聚力c值呈线性递减关系，与φ先呈线性递减关系，然后趋于平稳。
4 结束语
4.1 综上所述：桩间距在合理距离的情况下，土拱效应能最好的发挥其抗滑作用。当桩间距过大时，本例为3m时，桩间土土拱效应不能抵抗荷载时，土体溜出。在桩身参数中，桩间距对排桩的影响最大。
4.2 而排间距主要影响的是排桩的整体性，桩土复合刚度，以及排桩的荷载分担。合理的排间距会加强桩土复合作用，使得排桩更好的发挥抗滑的效能。
4.3 桩长对位移影响较小。弯矩随着桩长的增长先增大后趋于稳定。说明随着桩长的增长，桩传递的荷载增大，受力更为合理，抗滑作用增大。
4.4 E值是一种土c、φ的综合体现。c、φ、E值增大，桩身弯矩迅速减小。因为土体自身稳定性的增强减小了作用于桩上的力。桩身弯矩随c值增大而减小。桩顶位移随c值增大呈线性减小。桩顶位移随φ值先呈线性递减关系，然后趋于平稳。桩顶位移与E值呈反比例关系。
E值是对桩顶位移影响最大的因素，c值对位移的影响处于E与φ之间。当土体参数较好时，下滑力会减小，土自身的强度会增大，可以适当增大桩的间距。
参考文献
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