抗滑樁—格構(gòu)梁聯(lián)合加固邊坡效果分析

趙志強 姚 成

(江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

近年來，在土木工程生產(chǎn)實踐活動中隨著高速公路建設(shè)向西部的延伸和發(fā)展，涉及了大量的邊坡工程技術(shù)課題，由于我國西部地區(qū)地形，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，深挖高填十分普遍，邊坡工程問題日益突出。目前國內(nèi)外滑坡災(zāi)害防治技術(shù)措施還包括:卸荷、壓坡角、坡面防護、抗滑樁、錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、綜合加固等方法，在很多大型滑坡災(zāi)害防治工程中往往同時采用多種防治措施。針對一些地質(zhì)復(fù)雜，巖性較差，節(jié)理發(fā)育的土質(zhì)深路塹邊坡，工程中已經(jīng)開始利用樁打入穩(wěn)定巖層的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁阻止山坡整個滑體滑動，外加錨索對格構(gòu)梁的反拉力來控制滑面的進一步滑動的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

針對抗滑樁—格構(gòu)梁聯(lián)合應(yīng)用支護邊坡，根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁變形協(xié)調(diào)原理，在變形協(xié)調(diào)中增加格構(gòu)梁的變形影響。本文借助有限元軟件ABAQUS進行建模分析，通過計算結(jié)果對比分析，選擇更有利于邊坡加固的方法。

1 錨索、抗滑樁以及格構(gòu)梁三者變形協(xié)調(diào)

若預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁—格構(gòu)梁復(fù)合結(jié)構(gòu)在理論設(shè)計中考慮將樁與格構(gòu)連接作為整體，變形如圖1所示。

圖1 抗滑樁與格構(gòu)梁聯(lián)合結(jié)構(gòu)圖

滑動面以上樁身的位移為:

其中，xy0為樁0點處水平位移;φ0為樁0點處轉(zhuǎn)角;Δiq為滑坡推力或巖土壓力作用于第i根錨索處樁的水平位移;hi為第i根錨索距離滑坡面的距離;Δij為錨索拉力Ni水平分量作用在第j根錨索的水平位移，Δij=Njcosαjδij(αj為第i根錨索與水平線夾角;δij為錨索拉力Ni水平分量作用在第j根錨索的水平位移系數(shù))。

假定錨索的變形計算不考慮樁的撓曲變形對錨索變形的影響，則錨索在預(yù)應(yīng)力作用下的彈性變形Δli，根據(jù)胡克定律得:

其中，Δli為第i根錨索彈性伸長量;Ni為第i根錨索作用力;Ni0為第i根錨索初始應(yīng)力;Eg為錨索的彈性模量;δi為第i根錨索的揉度系數(shù);li為第i根錨索自由段長度與1/3錨固段長度之和;Ai為第i根錨索的截面面積。

根據(jù)Winkler地基梁理論，假設(shè)地基上任一點所受的壓應(yīng)力p與該點的地基沉降y成正比，格構(gòu)梁整體變形如式(3)所示:

此位移對第i根錨索處樁的水平位移影響值為yxi:

其中，ω為滑坡坡角;H為樁身懸臂端長度;k為基床系數(shù)。

可依據(jù)錨索抗滑樁的變形協(xié)調(diào)原理將式中增加格構(gòu)梁水平位移yxi的影響后變?yōu)?

由以上理論分析可知，在錨索拉力相同前提下，考慮樁與格構(gòu)梁的整體連接與兩種結(jié)構(gòu)單獨進行計算相比較，前者的位移變形值應(yīng)更小，對邊坡穩(wěn)定性控制應(yīng)該會更好。文中的單獨結(jié)構(gòu)代表樁、格構(gòu)梁作為獨立結(jié)構(gòu)，復(fù)合結(jié)構(gòu)代表將樁與格構(gòu)梁連接，作為整體考慮。

2 有限元模型

2.1 模型尺寸與材料參數(shù)

根據(jù)某工程資料，選擇滑坡斷面，建立邊坡體的尺寸為:坡高12 m，坡率選取1∶1;坡前8 m，坡后15 m;選擇邊坡體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，土的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

格構(gòu)梁模型的基本布置方式:橫、縱梁的間距均為3 m，懸臂端長度為1.5 m，縱梁和樁通過樁頂連梁連接起來;樁長度為12 m。如前所述，格構(gòu)梁和樁以及連梁都采用 ABAQUS提供C3D8R類型的實體單元來模擬，有關(guān)力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 樁與格構(gòu)梁力學(xué)參數(shù)

2.2 荷載與邊界條件

該模型主要受重力作用，樁上的錨索拉力以集中力施加在樁頂，大小為200 kN，與水平線夾角為30°;格構(gòu)錨桿拉力將其簡化為錨桿作用在橫、縱梁交叉面上的面應(yīng)力，大小為1000 kPa(約合拉力100 kN)。邊界條件為:垂直于x軸的左、右兩個面上，沒有x方向的位移;垂直于z軸的前、后兩個面，沒有z方向的位移;垂直于y軸的底面，沒有x，y，z三個方向的位移。

3 計算結(jié)果分析

3.1 滑坡支護前后安全系數(shù)對比

將滑坡支護前后的FV(即安全系數(shù))值隨U1(土體水平位移)的變化關(guān)系繪于圖2中。從圖2中可知，滑坡本身的安全系數(shù)為0.85左右，為不穩(wěn)定滑坡，當(dāng)采取支護結(jié)構(gòu)方案都能提高滑坡的安全系數(shù)，并且安全系數(shù)值在1.2以上，說明支護結(jié)構(gòu)能提高滑坡的穩(wěn)定性。

圖2 FV隨水平位移的變化關(guān)系

3.2 支護結(jié)構(gòu)位移分析對比

圖3～圖6分別給出兩種結(jié)構(gòu)土體強度折減到同一數(shù)值時的水平位移等值線云圖以及整體位移等值線云圖。根據(jù)強度折減原理在ABAQUS中的實現(xiàn)過程，在計算中止時位移情況如圖7～圖9所示。

圖3 單獨結(jié)構(gòu)水平位移等值線云圖

圖4 復(fù)合結(jié)構(gòu)水平位移等值線云圖

圖5 單獨結(jié)構(gòu)整體位移等值線云圖

圖6 復(fù)合結(jié)構(gòu)整體位移等值線云圖

圖7 水平剪力隨樁埋深分布

從水平位移圖以及整體位移圖對比可知，單獨結(jié)構(gòu)情況下，格構(gòu)梁對坡體的加固效果影響范圍較小，并且局部區(qū)域內(nèi)位移過大;復(fù)合結(jié)構(gòu)則在很大程度上體現(xiàn)出對邊坡加固的整體性，無論是水平位移等值線云圖還是整體位移等值線云圖，整個邊坡位移變化更均勻。

3.3 抗滑樁剪力分布

圖7比較了單獨結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)兩種情況下樁身所受水平剪應(yīng)力的分布情況。計算結(jié)構(gòu)表明，兩種結(jié)構(gòu)下的剪應(yīng)力分布曲線形狀存在差異。復(fù)合結(jié)構(gòu)的第二個剪力為零點出現(xiàn)在樁頂以下大約10.5 m處，單獨結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)在12.5 m左右的地方，相比之下，復(fù)合結(jié)構(gòu)的樁錨固深度較單獨結(jié)構(gòu)情況下更深。剪應(yīng)力為負(fù)代表樁所受剪力為滑坡下滑方向。

圖8 單獨結(jié)構(gòu)樁間水平位移等值線圖

圖9 復(fù)合結(jié)構(gòu)樁間水平位移等值線圖

3.4 樁間土體流失情況對比

圖8和圖9為樁間水平位移等值線圖。從圖中可以看出，單獨結(jié)構(gòu)等值線圖中部出現(xiàn)向x軸負(fù)方向的彎曲，說明此時土拱作用已經(jīng)不太明顯甚至消失，土體已經(jīng)出現(xiàn)繞樁流失現(xiàn)象;復(fù)合結(jié)構(gòu)情況下等值線圖中部曲線彎曲并未完全趨向x軸負(fù)方向，甚至部分還存在向x軸正向彎曲。x軸負(fù)向為滑坡破壞方向，在等樁間距條件下，通過x軸方向位移等值線圖對比可知，復(fù)合結(jié)構(gòu)中還有土拱作用存在。

4 結(jié)語

1)抗滑樁—格構(gòu)梁復(fù)合結(jié)構(gòu)整體設(shè)計和抗滑樁、格構(gòu)梁單獨結(jié)構(gòu)設(shè)計兩種方法中，前者提高邊坡的安全系數(shù)更高，支護后邊坡整體位移變化更均勻，支護效果更好。

2)通過對兩種情況的樁剪力、樁間土體流失情況對比，對于同一邊坡治理問題，在加固效果相同的前提下，考慮將抗滑樁—格構(gòu)梁作為整體的復(fù)合結(jié)構(gòu)可適當(dāng)增加樁間距或降低樁長，以達到降低工程造價的目的。

[1]陳希哲.土力學(xué)地基基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004:316-318.

[2]段智偉.預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁在高速公路滑坡治理中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005，15(17):263-264.

[3]桂樹強.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)計算方法[J].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2005，30(2):223-240.

[4]佴 磊，徐 燕，代樹林.邊坡工程[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[5]李 群，章廣成，唐輝明，等.十字交叉格構(gòu)梁內(nèi)力分析與優(yōu)化設(shè)計[J].煤田地質(zhì)與勘探，2006，34(6):50-53.