h+型抗滑桩模型试验及数值模拟

第31卷 第9期

岩石力学与工程学报 V ol.31 No.9

Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering

收稿日期：2012–04–11；修回日期：2012–06–04

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51168004)；广西自然科学基金资助项目(桂科自0991056)；教育部科学技术研究重点项目(210162)

作者简介：欧孝夺(1970–)，男，2004年于广西大学结构工程专业获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事土体结构及其工程特性方面的教学与研究工作。E-mail ：*****************

h 型抗滑桩模型试验及数值模拟

欧孝夺1，

2，唐迎春1，

2，崔 伟1，

3，李结全1，

2，潘 鑫(1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2. 广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004；

1，

2

3. 安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001)

摘要：通过几何相似比为1∶20的室内模型试验，研究h 型抗滑桩的受力机制，采用千斤顶施加各级荷载，得到不同桩排距、不同连梁位置的3根h 型抗滑桩弯矩及变形规律。并通过ABAQUS 有限元软件建立h 型抗滑桩桩–土共同作用模型，对h 型抗滑桩几个设计参数进行优化计算研究，结果表明，最优桩排距为5倍桩径，最优连梁刚度为1.5倍桩体刚度，最优嵌固深度为前排桩长度的3/8。最后将该研究结论运用于南宁市一滑坡治理工程中，效果良好。

关键词：桩基础；h 型抗滑桩；工作机制；模型试验；数值模拟

中图分类号：TU 473 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2012)09–1936–09

MODEL TEST AND NUMERICAL SIMULATION OF h-SHAPED

ANTI-SLIDING PILE

OU Xiaoduo

1，2

，TANG Yingchun

1，2

，CUI Wei 1，

3，LI Jiequan 1，

2，PAN Xin (1. College of Civil Engineering and Architecture ，Guangxi University ，Nanning ，Guangxi

530004，China ；

2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety ，Ministry of Education ，Guangxi University ，Nanning ，Guangxi

530004，China ；3. Anhui Institute of Building Research and Design ，Hefei ，Anhui

230001，China )

Abstract ：Indoor experiments were carried out on models with geometric similarity of 1∶20 to study h-shaped anti-sliding piles mechanism. The load was applied in steps by a jack ，and the moment and deformation patterns of three h-shaped anti-sliding piles with different row spacings and different beam positions were obtained. The pile-soil interaction model of h-shaped anti-sliding pile was established by finite element software ABAQUS ；and several design parameters of pile were analyzed and optimized. The results show that the optimal pile row spacing is 5 times pile diameter ；the optimal stiffness of connecting beam is 1.5 times of pile ；the optimal embedded depth of pile is 3/8 of the length of front row pile. Finally ，the conclusions were successfully applied to treatment of an actual landslide in Nanning.

1，

2

Key words ：pile foundations ；h-shaped anti-sliding pile ；working mechanism ；model test ；numerical simulation

1 引 言

h 型抗滑桩是近10 a 来才发展起来的一种新型

支挡结构，是通过在滑坡地段适当位置设置前、后2排桩，并通过前排桩顶设置的刚性梁把前、后2排桩联结起来，形成一种后排桩具有悬臂段的双排支护结构[1]，其形状如同英文小写字母“h ”

，因此

第31卷第9期欧孝夺等：h型抗滑桩模型试验及数值模拟• 1937 •

称为h型抗滑桩，其结构形式如图1所示。

图1 h型抗滑桩示意图

Fig.1 Sketch of h-shaped anti-sliding piles

在滑坡治理中，h型抗滑桩将滑坡体的剩余下滑推力传递至滑面以下的稳定基岩中，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力。h型抗滑桩通过连梁将前、后排桩联成整体框架，其整体抗弯刚度大，前、后排桩的受力相互传递协调，截面受力较小，同时对锚固段岩土体抗力要求较低，能承受较大的坡体推力；在后排桩上顶部采用一小段悬臂，起到收坡作用。h型抗滑桩施工方便，节省用材，而且受力形式非常合理，尤其是在水平位移要求严格的支挡工程中具有较好的应用前景。

h型抗滑桩由门架式双排桩理论基础上发展起来，受力机制复杂。曹俊坚等[2-3]考虑圈梁、桩协同作用，建立前、后桩的变形方程，提出一种计算方法；郑刚等[4]考虑桩–土相互作用，进行了双排桩分析。针对h型抗滑桩的设计和优化，申永江等[5-6]也进行过研究探讨。在工程应用和设计方面，张泽坤[7]针对成都市双流某滑坡治理工程，通过有限元分析h 型抗滑桩的内力及变形，获得最佳的桩身锚固深度和桩排间距等设计参数；申永江[8]对h型抗滑桩的效果评价与优化设计进行了深入研究；肖世国[9]

本文通过对h型抗滑桩结构工程特性进行几何相似比为1∶20的室内模型试验，实测h型抗滑桩在各级荷载作用下前、后排桩内力和变形情况，并采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟，与模型试验结果进行对比验证，并在此基础上对各设计参数进行优化，获得最佳的设计参数，为后续研究中h 型抗滑桩的设计提供一些参考和依据。

给出了针对h型组合抗滑桩的计算分析方法，并利用四川某高速公路边坡治理工程进行验证。总体看来，目前有关滑坡治理中h型抗滑桩的计算资料和案例还较少，对h型抗滑桩的桩–土共同作用机制尚未有明确定论；在设计参数优化方面，通常都是针对某一具体工程的，得到的典型参数具有特定区域性。2 室内模型试验

根据广西南宁市典型的工程地质特征、岩土参数等选择相似材料进行室内模型试验。试验通过实测桩体在各级荷载作用下，前、后排桩及连梁的内力变化情况，研究h型抗滑桩在加固边坡工程中的抗滑作用和效果。

2.1 模型试验的设计与材料特性

模型试验在自行设计加工的模型箱中进行。模型箱尺寸为1 m×1 m×0.6 m(长×宽×高)，采用3 mm钢板焊接而成，在边界接触及加载处采用角钢焊接加固，以保证模型箱具有足够的刚度。

(1) 模型比。参考已有研究，通过单桩受水平力的微分方程推导得出的几何与材料相似关系，确定模型试验的几何相似比C

L

= 1∶20，周边填土容

重相似比为C

γ

土体

名称

= 1。

填土材料来源于南宁市青秀山风景区主干道K11+360路段滑坡工程，土体各物理力学参数如表1所示。模型试验采用重塑土，经过碾碎烘干过筛，配置成含水率w = 30%的均匀土体材料。

表1 土体物理力学参数

Table 1 Physico-mechanical parameters of soil mass

含水率

w/%

容重

γ/(kN·m－3

黏聚力

c/kPa

)

内摩擦角

ϕ/(°)

黏土30 19.2 22.8 12.35

(2) 模型桩。模型桩设计为相同嵌固深度和连梁刚度，取不同桩间距(分别为6d和8d，d为模型试验桩径)；不同连梁位置(连梁离开桩底位置，分别取0.5H和0.7H，H为后排桩长度)进行对比试验。

考虑桩的抗弯刚度相似，模型桩采用外径25 mm，内径23 mm，壁厚1 mm的不锈钢方形截面空心管，通过焊接而成，并在桩管外壁黏贴应变计以测量桩身应变情况，抗滑桩模型尺寸和应变计布置如图2所示。其中应变测量采用江苏东华的DH3815N静态应变测试仪，通过与计算机联接实现自动巡检。

2.2 试验步骤

(1) 在模型箱四周及底部涂抹润滑油，消除土与模型箱内壁的摩擦，以模拟与实际情况相似的边界条件。