預(yù)應(yīng)力對(duì)抗滑樁樁身內(nèi)力的影響研究

張新宇

摘 要：近年來，巖土力學(xué)的模擬試驗(yàn)中多采用顆粒流軟件，本文基于PFC2D模型建立抗滑樁工程實(shí)例設(shè)計(jì)參數(shù)建立樁后垂直截面預(yù)應(yīng)力與樁土相互作用的顆粒流模型。通過對(duì)比普通懸臂樁與預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的受力形態(tài)，分析施加預(yù)應(yīng)力對(duì)樁身內(nèi)力的影響。從微觀的角度揭示預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁與普通抗滑樁受力形式及樁土相互作用的不同，進(jìn)一步探索預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固機(jī)理。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力;抗滑樁;數(shù)值模擬

1、前言

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁作為一種實(shí)用有效的支擋工程措施已在地質(zhì)災(zāi)害治理中得到廣泛的應(yīng)用。在當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害治理中以及一些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，例如修筑鐵路、公路、水利設(shè)施等，都大量采用了這種技術(shù)。然而，其設(shè)計(jì)與計(jì)算方法仍然是一個(gè)亟待深入研究的課題。這種技術(shù)是在抗滑樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.相對(duì)于普通抗滑樁，其受力狀態(tài)更加合理。普通抗滑樁的受力模式與懸臂梁十分相似，所計(jì)算得到的樁身彎矩和剪力往往很大，因此普通抗滑樁的截面尺寸也相當(dāng)大。對(duì)于巖質(zhì)滑坡或土層厚度大而不是填方邊坡等水平荷載大的治理工程，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁組合結(jié)構(gòu)治理合適。因?yàn)樗粌H充分發(fā)揮抗滑樁能提供較大水平抗力，而且預(yù)應(yīng)力錨索既能提供所需的水平預(yù)拉力，又比較經(jīng)濟(jì)適用。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，它實(shí)現(xiàn)了小截面、大高度、輕型化的支擋結(jié)構(gòu)。這種支擋結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索與巖土體相互作用和變形協(xié)調(diào)。

本文基于抗滑樁工程實(shí)例設(shè)計(jì)參數(shù)建立樁后垂直截面預(yù)應(yīng)力與樁土相互作用的顆粒流模型。設(shè)計(jì)潛在滑動(dòng)面及滑坡土體，并在滑坡體前側(cè)布置抗滑樁，在重力場的作用下，模擬滑坡土體沿潛在滑動(dòng)面向下蠕動(dòng)的過程，觀察土顆粒的移動(dòng)，并在抗滑樁樁身及附近布置測量圓，監(jiān)測應(yīng)力場的變化，分析抗滑樁抵抗滑坡推力作用的過程。

2、建立模型

本文結(jié)合工程實(shí)例中滑坡尺寸及抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)?；鲁叽缂翱够瑯豆こ虒?shí)例參數(shù)取值為：滑坡體寬30米，潛在滑動(dòng)面埋深15米，設(shè)計(jì)樁長21米，樁身錨固深度6米，抗滑樁截面設(shè)計(jì)尺寸1.5×2.0米。顆粒流模型設(shè)計(jì)參數(shù)取值為：滑坡體寬為5米，潛在滑動(dòng)面埋深2.5米，與水平面夾角26°，設(shè)計(jì)樁長3.5米，抗滑樁錨固深度1米，樁體沿滑坡方向?qū)挾葹?.5米，預(yù)應(yīng)力作用位置為距樁頂0.5米處，滑動(dòng)面墻體摩擦系數(shù)為0，法向剛度和剪切剛度均為6e7N/m，抗滑樁摩擦系數(shù)取1，砂顆粒為0.6。運(yùn)行模型達(dá)到平衡狀態(tài)，將測量圓設(shè)置在抗滑樁靠近土體一側(cè)。

本模型取抗滑樁后側(cè)單位厚度土體作為研究對(duì)象，假設(shè)土顆粒僅受到此截面方向力的作用，忽略沿樁橫向土顆粒的相互作用。首先，建立潛在滑動(dòng)面及滑坡體周圍墻體，生成滑坡土體，運(yùn)行達(dá)到最初平衡狀態(tài)。之后，施加重力場，使滑坡土顆粒在重力的作用下逐漸沿潛在滑動(dòng)面向下蠕動(dòng)，滑坡體達(dá)到模擬狀態(tài)。最后，在滑坡土體后面建立抗滑樁，并在底部錨固。刪除多余的邊界墻，繼續(xù)施加重力場，使滑坡土體下滑力逐漸作用于抗滑樁上。在距樁頂0.5米處施加預(yù)應(yīng)力限制樁頂位移，模擬兩種抗滑樁的受力形式。同時(shí)，在抗滑樁樁身及附近土體中布置測量圓，監(jiān)測樁身內(nèi)力及土顆粒間應(yīng)力值。數(shù)值模型運(yùn)行達(dá)到抗滑樁發(fā)揮抗滑作用，滑坡土體與抗滑樁達(dá)到平衡，位移接近于零。

3、數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 預(yù)應(yīng)力對(duì)樁身接觸力的影響結(jié)果分析

在同一滑坡體作用下，且抗滑樁的強(qiáng)度剛度保持不變，來模擬懸臂樁和預(yù)應(yīng)力錨索樁的抗滑過程。模擬結(jié)果表明：普通抗滑樁靠近土一側(cè)樁身受拉，而遠(yuǎn)離土體一側(cè)樁身受壓;預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在錨固段抗滑樁內(nèi)側(cè)受拉外側(cè)受壓，而在自由段內(nèi)側(cè)受壓外側(cè)受拉。

普通的懸臂樁在滑坡土體的作用下，靠近滑坡體的一側(cè)產(chǎn)生拉力，且在錨固段位置拉力最大;而在遠(yuǎn)離滑坡體的一側(cè)產(chǎn)生壓力，最大壓力區(qū)也是出現(xiàn)在錨固段位置。另外，樁身底端接觸力較小，抗滑樁比較穩(wěn)定，樁身上部接觸力雖然也比較小，但是位移很大。

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁拉壓區(qū)并不在同一側(cè)，而是交替出現(xiàn)，拉力區(qū)出現(xiàn)在抗滑樁錨固段上部遠(yuǎn)離滑坡體的一側(cè)和錨固段下部靠近滑坡體的一側(cè)，壓力區(qū)正好相反。并且，抗滑樁位移較小，抗滑樁受力更加均衡，比普通抗滑樁更加穩(wěn)定，抗滑效果更好。

3.2預(yù)應(yīng)力對(duì)樁身y向應(yīng)力的影響結(jié)果分析

是普通抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁樁身兩排測量圓的y向應(yīng)力曲線圖。觀察兩種抗滑樁的y向應(yīng)力曲線可知，普通抗滑樁從樁身后側(cè)y向應(yīng)力可以看出，樁身后側(cè)y向應(yīng)力基本均為正值，以受拉區(qū)為主。整體y向應(yīng)力在抗滑樁錨固段最頂部位置達(dá)到峰值。從樁身前側(cè)y向應(yīng)力可以看出，樁身前側(cè)y向應(yīng)力均為負(fù)值，均為受壓區(qū)。整體y向應(yīng)力在樁身錨固段頂部0.2米處達(dá)到峰值。對(duì)比樁身前后側(cè)y向應(yīng)力可以看出，普通抗滑樁受力較為簡單，樁身危險(xiǎn)截面在錨固段頂部位置，樁身前側(cè)受壓區(qū)受力更大，且位置略高于錨固段頂部。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁樁身前后側(cè)y向應(yīng)力均出現(xiàn)三個(gè)峰值點(diǎn)，三個(gè)峰值點(diǎn)的位置基本一致。在樁身錨固段頂部出現(xiàn)一個(gè)峰值點(diǎn)，此處樁身后側(cè)受拉前側(cè)受壓;在施加預(yù)應(yīng)力處出現(xiàn)一個(gè)小的峰值點(diǎn)，此處樁身后側(cè)受拉前側(cè)受壓;在樁身y向的中間位置也出現(xiàn)一個(gè)峰值點(diǎn)，此處樁身后側(cè)受壓前側(cè)受拉。樁身后側(cè)受壓區(qū)與受拉區(qū)的峰值大小基本相同，而樁身前側(cè)受拉區(qū)峰值要大于受壓區(qū)峰值。樁身最危險(xiǎn)截面在抗滑樁長度方向的中間位置。

3.3預(yù)應(yīng)力對(duì)樁身土顆粒的影響結(jié)果分析

普通抗滑樁樁后土顆粒剪應(yīng)力均為正值，土顆粒均沿一個(gè)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且沿樁深度方向，剪應(yīng)力呈逐漸增大的趨勢;預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁樁后土顆粒剪應(yīng)力出現(xiàn)正負(fù)交錯(cuò)的現(xiàn)象，樁后土顆粒沿兩個(gè)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在滑坡土體中間位置出現(xiàn)剪應(yīng)力方向的改變。對(duì)比分析土顆粒剪應(yīng)力變化可知，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁樁后土顆粒之間的作用更為復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力的施加會(huì)改變樁后土顆粒的旋轉(zhuǎn)方向，土顆粒會(huì)出現(xiàn)相互嵌擠，發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，這同樣也是抗滑樁抵抗滑坡土體向下蠕動(dòng)作用的結(jié)果。對(duì)比y向曲線圖可以看出，兩種抗滑樁樁后土顆粒y向應(yīng)力沿樁深度方向的變化趨勢大致相同。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁樁后上部土顆粒的y向應(yīng)力大于普通抗滑樁的樁后上部土顆粒，并且隨著時(shí)步的變化，y向應(yīng)力的波動(dòng)也較小，表明預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁錨固段以上土顆粒的穩(wěn)定性更好。

4、結(jié)語

本文通過PFC2D軟件模擬分析了預(yù)應(yīng)力對(duì)抗滑樁樁身內(nèi)力的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁具有結(jié)構(gòu)受力更加合理、抗滑能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，這在滑坡的支擋以及邊坡加固中具有非常重要的實(shí)踐意義。

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