黏聚力強(qiáng)度對滑面作用的差異分析

李晰　劉金孟

【摘 要】建立樁板墻支護(hù)滑坡的三維模型，以黏聚力為變量進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值模擬，在c=0kPa到c=20kPa的計算結(jié)果表明：樁后ssi值減小，滑面ssi值增大，改善局部破壞；土拱層次減小，樁后水平力減小，利于樁板受力。較大的滑面黏聚力強(qiáng)度對有一定緩阻作用，能協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與滑體的力學(xué)效應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】滑動面；接觸面；黏聚力；數(shù)值模擬

滑動面為滑坡地貌的重要組成部分，在滑體穩(wěn)定因素中起控制作用，通常呈上陡下緩。在長期地質(zhì)作用下，滑體與滑床的分界面存在壓合、摩擦等各類影響?；聻?zāi)害是山區(qū)建設(shè)中的重要工程地質(zhì)和巖土工程問題[1]，對滑動面參數(shù)的影響研究則是應(yīng)有之義。模擬是分析和解決復(fù)雜工程地質(zhì)問題的有效手段[2]，數(shù)值技術(shù)可向工程設(shè)計及研究人員直接表達(dá)計算結(jié)果。本文利用數(shù)值軟件對滑坡模型進(jìn)行計算和分析，探討滑面抗剪強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力）對滑坡的影響規(guī)律。

1 模型概況

1.1 基本設(shè)置

采用實體單元建模。巖土體采用M-C剪切模型，樁板結(jié)構(gòu)采用彈性模型。滑體-樁、滑體-板、滑床-樁、樁-板均建立無厚度的三角形接觸單元，用接觸面模擬滑動面。假定為天然工況，降雨暫不考慮。

1.2 模型建立

在SketchUp中獲取坐標(biāo)[3]，利用有限差分軟件建模，在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上加植了抗滑樁板墻，由此得到概化模型，如圖1所示。

采用平面應(yīng)變模型，坡高30m，傾角37°，沿坡走向取3L距離（L為樁間距）?？紤]土拱效應(yīng)的L適宜值[5]，取4d（d=2m為樁截面邊長）。采用截面為d×d的方樁。樁長20m，嵌固段10m，擋土板厚度0.2m[6]。結(jié)合網(wǎng)格數(shù)量和計算時間，邊界按文獻(xiàn)[7]的建議優(yōu)化設(shè)置，前后緣各取至20m，樁底至底邊20m。模型底部固定約束，前后側(cè)y向約束，左右側(cè)x向約束，其余為自由面。單元數(shù)共14760個，網(wǎng)格尺寸滿足精度要求。

1.3 材料參數(shù)

滑體密度ρ=2000kg/m3，黏聚力c=20kPa，內(nèi)摩擦角φ=25°，彈性模量E=40MPa，泊松比υ=0.32；滑床ρ=2350kg/m3，c=60kPa，φ=45°，E=800MPa，υ=0.25；樁ρ=2500kg/m3，E=30GPa，υ=0.2；板ρ=2400kg/m3，E=25GPa，υ=0.2?；嫔先缂羟袆偠萲s、法向剛度ks及c、φ等數(shù)值選取，根據(jù)實體單元強(qiáng)度參數(shù)計算而得，詳見文獻(xiàn)[8]接觸面理論。

2 工況計算

在其它參數(shù)不變的情況下，以滑面的黏聚力強(qiáng)度為變量，分別取c=0kPa、10kPa、20kPa等3種工況進(jìn)行模擬。

2.1 切應(yīng)變增量（ssi）

切應(yīng)變增量結(jié)果如圖2所示。均可看出滑面的塑性區(qū)集中在樁后和滑面。

（1）黏聚力為c=0kPa時，滑面ssi值不大，約為2.0e-3～4.0e-3，而樁板后應(yīng)力集中，最大增量值為1.714e-2，受剪嚴(yán)重；（2）在c=10kPa工況，滑面上ssi值約為4.0e-3～6.0e-3，樁板后最大增量值為1.299e-3；（3）在c=20kPa時，滑面上已達(dá)到6.0e-3～8.0e-3，樁板后為1.0e-3左右。這說明接觸面的黏聚力強(qiáng)度在逐步發(fā)揮黏合作用，對減輕樁板后壓力有益。ssi越大的區(qū)域破壞的可能性越大，因此較大的黏聚力值有助于平衡支護(hù)結(jié)構(gòu)與滑體穩(wěn)定。

2.2 土拱效應(yīng)（sxx）

樁后土拱可以協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與滑體的工作效應(yīng)，使其設(shè)計和經(jīng)濟(jì)得到優(yōu)化。對z=38m進(jìn)行切片操作，取中間土拱觀察。

從圖3可清楚看到，在滑面黏聚力逐漸增大的情況下，水平土拱從明顯的3拱層次變?yōu)?拱和1拱，且最外層拱所受x向應(yīng)力值從150～200kPa依次變?yōu)?00～150kPa和100～50kPa。土拱效應(yīng)發(fā)揮阻滑作用，但并非拱形越明顯層次越多就越利于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力?；婵辜魪?qiáng)度增大以減少對樁板的下滑壓力，具有重要意義。因此，改善滑面（帶）的力學(xué)性質(zhì)、減少其孔隙水壓力等是滑坡治理的方式選擇。

2.3 變形分析（dis）

設(shè)置各工況下的變形系數(shù)，輸出相應(yīng)的水平位移云圖，如圖4所示。

圖4 xdis變形云圖

坡頂深色區(qū)域為滑體變形最大部分，從左至右依次為14～15.31cm、0.8～0.86cm、0.51～0.4cm?？梢娀鎐=0kPa時變形最為嚴(yán)重，接觸面未發(fā)揮黏聚力強(qiáng)度作用。樁板支護(hù)結(jié)構(gòu)向前側(cè)傾斜程度很大，由于板厚為0.2m較樁體剛度小，因此受到上部滑體壓力較大而向樁前凸出。而c=20kPa工況下，樁板結(jié)構(gòu)的變形最小，滑體下滑變形最小。因此，接觸面的黏聚力強(qiáng)度值可以改善樁板墻結(jié)構(gòu)的受力情況，對滑坡的變形有一定約束作用。

3 結(jié)語

在長期地質(zhì)作用下，滑面（帶）充當(dāng)滑體和滑床的中間媒介，且會受各種因素的影響。目前一致認(rèn)為滑面（帶）的存在是滑坡形成的必要條件。在對滑坡工程的數(shù)值模擬應(yīng)用中，往往不考慮或折減其抗剪強(qiáng)度參數(shù)值幅度，以致計算結(jié)果往往嚴(yán)重于實際情況。在工程設(shè)計階段也會因滑面的抗剪強(qiáng)度而顯得保守。從三種工況的差異分析來看，適當(dāng)考慮接觸面的黏聚力，可以改善支護(hù)樁板后的滑土壓力，接觸面會發(fā)揮一定的緩阻作用，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與滑體的力學(xué)作用。但如受地下水作用較為頻繁、存在滑動跡象等情況時應(yīng)具體問題具體分析，結(jié)合實際情況來進(jìn)行滑面黏聚力值的折減和賦零。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王恭先.滑坡防治中的關(guān)鍵技術(shù)及其處理方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（21）：3818-3827.

[2]唐輝明.工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：228-229.

[3]劉金孟，李晰.FLAC3D在某滑坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].科技視界，2015（32）：277-278.

[4]鄧夷明.雙排抗滑樁抗滑機(jī)理的研究[D].西南交通大學(xué)，2008：27-28.

[5]張建勛，陳福全，簡洪鈺.被動樁中土拱效應(yīng)問題的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2004，25（2）：174-184.

[6]公路擋土墻設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則[M].中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京：人民交通出版社，2008：47-48.

[7]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，時衛(wèi)民.有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報，2003，34（1）：0021-0027.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社，2013：143-144.

[責(zé)任編輯：王楠]