滑坡治理工程中桩基托梁挡土墙有限元模拟与分析

 摘 要：桩基托梁挡土墙是岩土工程中挡土墙与桩结合的一种新型支护形式，目前尚无可靠的位移模式预估方法，基于此针对某路基滑坡治理工程设计方案，利用有限元软件MIDAS GTS建立桩基托梁挡土墙受力变形的二维计算模型。分析结果表明，桩基托梁挡土墙是一种作用显著滑坡治理方式，对位移限制作用大。建议滑坡治理过程中对坡脚松散土体进行加固，有利于整体稳定。通过后期监测值的反馈，利用有限元分析这种类似复合结构的位移，对方案作出评价是可行的。本文研究方法以及所得结论对后续类似工程的评价和研究具有借鉴价值。
关 键 词：桩基托梁挡土墙；滑坡；位移；二维有限元模拟； MIDAS-GTS

近些年来，为解决挡土墙地基承载力不足和悬臂桩过长而不经济问题而形成的桩基托梁挡土墙在实践工程中得到广泛应用。对桩基托梁挡土墙的研究，有些学者通过模型试验进行研究，着重分析墙背所受土压力和垂直位移特性，但是模型试验费时费力，实践中很难得到推广。也有学者通过理论计算进行研究，需要提出很多假设，无法对众多影响因素全面考虑，由于结构的复杂性和地质条件的不确定性，目前桩基挡土墙这种复合结构还未形成普遍认可的计算方法。尤其是对桩基托梁挡土墙位移预估尚无可靠方法，本文采用大型岩土有限元软件MIDAS GTS对某滑坡抢险工程中的桩基托梁挡土墙位移进行研究，预估治理方案的位移以及为设计方案评价提供依据。研究方法以及所得结论可为后续类似工程结构的设计和评价提供借鉴。
1 滑坡工程概况与地质条件
滑坡路段为某三级公路交通干道，原来路面宽度约6.5m，滑塌长度约20m。路基垮塌使部分使路面处于悬空状态，悬空高度约24m，影响交通运输。且滑坡右下方为码头在建工地，给工地的安全施工带来隐患。为了恢复交通消除不利隐患，对滑坡进行治理。
滑坡场地位于扬子准地台上扬子台坳的四川中坳陷区之川东南褶皱束，黄角堡背斜北东倾没端轴部，地质构造较简单。区内地表未见区域性断层分布，晚近期地壳活动以大面积抬升为主，构造变形微弱，无发震构造背景，地貌类型为构造侵蚀中低山地貌。出露基岩为主要为侏罗系上沙溪庙组的泥质粉砂岩和第四系全新统残坡积风化土，风化土厚度1~2m。

2 滑坡治理方案
滑坡治理最重要的是恢复交通路面，所以需要对滑坡区域进行回填处理，工程治理主要保证路基回填土的安全和下部地基的稳定性。经综合分析下部采用矩形抗滑桩，上部采用挡土墙，桩顶采用矩形拖梁作为抗滑桩与挡土墙的连系部分。设计方案按照传统解析方法对抗滑桩和挡土墙分别计算，挡土墙按照一般挡土墙理论进行计算，抗滑桩采用现有的抗滑桩理论进行计算，为了考虑挡土墙的作用，在抗滑桩的模型中考虑挡土墙对桩的弯矩和水平力。解析最终方案中，抗滑桩采用C30矩形桩，桩尺寸为2.6×2m，抗滑桩拖梁尺寸为4.0×1.5m，挡土墙高度为5m，顶宽为1.6m。由于地质条件的复杂性和现存理论的不完善，传统设计方法无法预估支护结构位移。为了施工安全性和方案的可靠性，对设计方案采用有限元分析。

3 桩基挡土墙方案有限元分析
3.1 有限元计算模型
岩土体采用平面应力单元和摩尔-库仑本构模型，挡土墙和托梁采用弹性本构模型，桩采用梁单元和弹性本构模型。边界条件采用位移约束，为了保证计算结果具有一定的准确性，建立宽×高=60m×58m的二维有限元模型。利用MIDAS/GTS映射网格划分功能，建立了单元体数为3755个数值计算模型。
3.2 计算参数的选取
根据滑坡勘察和相关工程经验，有限元计算所采用的计算参数为：风化土的重度，弹性模量，泊松比，抗剪强度，。泥质粉砂岩岩的重度为，弹性模量，泊松比，抗剪强度，。桩和冠梁弹性模量重度为，弹性模量，泊松比。挡土墙重度为，弹性模量，泊松比。
3.3 计算结果分析
由于位移是评价方案可行性的重要依据，为了更加合理的评价桩基托梁挡土墙治理滑坡的效果，本文截取了数值计算中的水平位移图、竖向位移图，对位移场进行分析评价。
图1是桩基托梁挡土墙施工完成后计算模型整体水平位移图，从图中可以看出最大水平位移值为7.55m，坡顶的最大水平位移值约为2.35m。由于坡脚是性质较差的滑坡松散土体，所以坡脚位移值较大，为了增加治理方案的可靠度建议在坡脚进行注浆加固土体。同时可以看出道路运营期间主要影响区域在路基面至坡脚区域，与实际情况相符。所以从仿真层面看，方案的支挡作用效果明显。满足正常使用要求。
竖向位移是评价方案可靠性和路基长久稳定性的重要指标。从图2的整体模型竖向位移分布云图可以看出路基治理后沉降量很小，公路沉降基本在1.72~3.78mm，一方面是由于路基的基岩大部分为中风化岩，变形模量小。另一方面也说明，桩基托梁挡土墙对水平位移的限制作用，对路基的竖向位移控制有较为显著的的效果。从后期道路边缘监测点实际监测情况来看，道路监测最大沉降值位移也未超过5.2mm，所以桩基托梁是一种治理效果明显的治理方案。

图1 整体水平位移分布云图 图2 整体竖向位移分布云图
综上所述，采用传统设计对方案进行设计是比较合理的，能够满足正常使用要求。利用有限元软件对位移预估也是可行的，在实际设计过程中，需结合多中软件相互校核，达到安全和经济上的一个平衡点，对结构进行优化。桩顶挡土墙的种类比较多，在实际运用中应根据实际条件针对性采用合适的结合方式，本文只是对桩与其中的一种挡土墙结合方案进行了二维数值分析，与其它挡墙的结合支挡效果以及三维特性有待进一步的研究。

4结语
通过对滑坡治理方案桩基托梁挡土墙位移的有限元模拟分析，对传统设计方案的位移值进行预估。经后期的监测反馈结果验证，采用有限元对桩基托梁挡土墙这种复合结构进行位移预估是可行的，有利于扩大这种支护方式的应用领域，对后续类似工程的施工和设计具有借鉴意义。同时，由有限元计算结果和分析可知，桩基托梁挡土墙是治理滑坡效果明显，可以充分利用挡土墙和抗滑桩两种支护方式的优点，同时建议对滑坡体下部的松散土体进行加固，对限制支护结构的位移，稳定坡脚较为有利，从而提高整体稳定性。
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