微型樁加固堆積層邊坡參數(shù)敏感性耦合分析

劉 凡 劉志偉

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

微型樁作為一種施工方便，快捷，施工工期短的新型支護結(jié)構(gòu)，具有直徑小，長徑比較大和柔性的結(jié)構(gòu)特點，同時還具有對邊坡和滑坡的治理效果好，對環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點。近年來，隨著滑坡災(zāi)害防治研究的深入與發(fā)展，防治工程也在向輕型化、小型化、經(jīng)濟型方向發(fā)展，微型樁就是其中最具代表性的輕型抗滑支擋結(jié)構(gòu)之一[1]。隨著對微型樁加固機理的認識與研究的深入以及對滑坡破壞模式和產(chǎn)生機理的不斷了解，微型樁在邊坡加固等防護工程中的應(yīng)用尤其是對中小型滑坡的治理工程中的應(yīng)用越來越廣泛。在針對邊坡加固工程中的微型樁工作特性的研究中，研究內(nèi)容主要集中在設(shè)樁間距、樁身承載力、設(shè)樁角度等方面，研究對象多為土質(zhì)邊坡[2-4]。對于微型樁對淺層堆積層邊坡加固設(shè)計方面的研究還有所不足，微型樁加固淺層堆積層滑坡的設(shè)樁位置、設(shè)樁傾角、錨固深度等設(shè)樁參數(shù)與微型樁加固效果之間的規(guī)律還不明了。

近年來隨著巖土工程領(lǐng)域計算機數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，包括有限元，有限差分元等在內(nèi)的眾多數(shù)值模擬軟件被開發(fā)利用，其在邊坡加固的模擬研究中的應(yīng)用也越來越廣泛，成熟，得到眾多學(xué)者的認可，諸多的研究成果也有效地證明了運用數(shù)值模擬方法對邊坡穩(wěn)定性進行模擬分析的合理性。目前在針對抗滑樁等一系列支擋結(jié)構(gòu)支護邊坡的研究當(dāng)中主要存在兩種研究方法：一是將這類支擋結(jié)構(gòu)的受力與變形分析和邊坡的穩(wěn)定性分析兩者單獨考慮，即傳統(tǒng)的非耦合分析方法；另外一種是將這類支擋結(jié)構(gòu)的受力與變形分析和邊坡的穩(wěn)定性兩者相結(jié)合同時進行考慮，即樁—土耦合分析。樁—土耦合分析可以分析由于樁體的施加引起邊坡運動形態(tài)的改變[5]。本文結(jié)合某淺層堆積層邊坡簡化模型，利用有限差分元軟件FLAC3D對微型樁加固邊坡的穩(wěn)定性進行了耦合分析，通過建立不同的數(shù)值計算模型對微型樁不同設(shè)樁參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化的關(guān)系進行了研究，系統(tǒng)地分析了設(shè)樁位置、設(shè)樁傾角、錨固深度等不同設(shè)樁參數(shù)對微型樁加固淺層堆積層邊坡穩(wěn)定性的影響，以期為今后微型樁實際工程的應(yīng)用提供一些指導(dǎo)和借鑒。

1 分析方法

利用有限元法分析復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性，考慮了巖土材料的非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系和邊界條件的復(fù)雜性，能夠有效模擬巖土材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[6]。能夠更加全面直觀地對邊坡破壞的發(fā)生過程和發(fā)展形式進行分析研究，因此此類方法在邊坡支護等工程研究中得到大量學(xué)者的廣泛應(yīng)用。

本文實際采用FLAC有限差分強度折減法對算例邊坡進行穩(wěn)定性分析。強度折減法對邊坡安全系數(shù)定義為：使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)，對巖、土體的抗剪強度進行折減的程度，即巖土體的實際抗剪強度與折減后臨界破壞時的剪切強度的比值[7]。強度折減法的核心公式為式(1)和式(2)：

cF=c/Fs

(1)

φF=tan-1(tanφ/Fs)

(2)

其中，c為折減前粘聚力;φ為折減前內(nèi)摩擦角;Fs為折減系數(shù);cF為折減后粘聚力;φF為折減后內(nèi)摩擦角。

2 邊坡分析模型的建立

邊坡模型為一淺層堆積體滑坡，邊坡尺寸見圖1，坡高17.5 m，邊坡傾角約為30°。邊坡上層為碎石土，下層為基巖，對實際堆積層滑坡進行簡化，碎石土厚度平均為5 m。微型樁自滑坡滑動方向開始由前排樁、中排樁、后排樁三排樁組成，單樁樁徑D取0.2 m，微型樁群的樁間距離S和排間距離S′均取3.5D。

本文選取寬2S的邊坡單元采用FLAC3D軟件進行模擬分析，采用六面體網(wǎng)格單元，共有17 530個節(jié)點，12 260個網(wǎng)格。在微型樁設(shè)樁位置，設(shè)樁傾角與邊坡穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系的計算分析中假定微型樁為無限長樁，微型樁樁頂與樁底均設(shè)置為自由。邊坡模型見圖2。

3 材料參數(shù)

本文采用FLAC3D軟件中自帶Pile結(jié)構(gòu)單元對微型樁進行模擬。在數(shù)值模擬過程中可以通過設(shè)置Pile結(jié)構(gòu)單元自身所帶的耦合彈簧參數(shù)來完成Pile結(jié)構(gòu)單元與邊坡巖土體之間的相互作用。切向彈簧可以實現(xiàn)樁與土體發(fā)生相對移動的力學(xué)效應(yīng)，法向彈簧可以模擬法向荷載的作用以及樁身與實體單元節(jié)點之間縫隙的形成，還可以模擬樁周土對樁身的擠壓作用，因此可以實現(xiàn)樁—土耦合分析[8]。

巖體材料為彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb強度準則。本次計算中微型樁與巖土體所采用基本參數(shù)如表1所示。

表1 微型樁—巖土參數(shù)表

3.1 設(shè)樁位置對邊坡穩(wěn)定性的影響

圖1中邊坡坡腳到坡頂水平距離為L=30 m,并以中排樁與碎石土基巖巖層交界面處交點與坡腳水平距離為Lx。以設(shè)樁傾角θ=30°，0°(即垂直于水平、垂直于坡面)兩種設(shè)樁角度分別建立計算模型，通過改變微型樁的設(shè)樁位置(即Lx/L)，得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與設(shè)樁位置Lx/L的關(guān)系曲線圖如圖3所示，隨著微型樁設(shè)樁位置距離坡頂越來越近，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs先增后減，并且在Lx/L=2/3處達到最大值，此位置設(shè)置的微型樁能夠充分發(fā)揮其加固作用，將邊坡的臨界滑動面降到最小，邊坡的安全系數(shù)最高；當(dāng)微型樁設(shè)置于坡腳與坡頂位置時，微型樁加固前后對邊坡穩(wěn)定性影響較小，加固前后邊坡破壞滑動面大抵位置相同，微型樁無法對滑體的下滑起到支擋作用。對比傾角30°與0°兩條曲線則可發(fā)現(xiàn)傾斜設(shè)置的微型樁加固效果要好于鉛垂設(shè)置的微型樁，說明設(shè)樁傾角對微型樁加固效果有較大影響。

3.2 設(shè)樁傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

在前文分析的基礎(chǔ)上可知，設(shè)樁位置位于邊坡中部靠上約Lx/L=2/3位置時，微型樁加固效果最好，同時設(shè)樁傾角會對微型樁加固效果產(chǎn)生較大影響。因此，對設(shè)樁位置位于邊坡中部偏上的微型樁，改變其設(shè)樁傾角，分別對傾角θ=-30°，-20°，-10°，0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°十種設(shè)樁傾角微型樁加固模型進行模擬分析，得到圖4所示設(shè)樁傾角與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系曲線圖。從圖4可以看出，在θ=-30°～0°區(qū)間范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨傾角變化小幅度上升，在θ=0°～60°區(qū)間范圍內(nèi)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先降低后上升，在設(shè)樁傾角θ=50°時達到最大值。對于傾角30°的淺層堆積層邊坡，要想微型樁發(fā)揮最好的加固效果，最優(yōu)設(shè)樁傾角應(yīng)為50°。

3.3 錨固深度對邊坡穩(wěn)定性的影響

微型樁通過深入滑動面之下，嵌入邊坡底部基巖，使下部基巖與上部破碎滑體形成一個有機的整體，從而達到抗滑的效果。因此微型樁的樁身錨固深度設(shè)計是微型樁設(shè)計中的重要參數(shù)之一，錨固深度的變化會對樁身內(nèi)力以及樁身變形造成很大的影響。通常情況下，微型樁樁身內(nèi)力值隨著錨固深度的增加而逐漸增加，柱體側(cè)移逐漸減小，邊坡穩(wěn)定性提高；但是當(dāng)微型樁的錨固深度達到一定長度時，增加微型樁錨固長度不再對樁身內(nèi)力與樁側(cè)位移造成影響，同時邊坡加固效果提高也不再明顯。

在前文分析基礎(chǔ)上可以得知，當(dāng)微型樁設(shè)樁傾角θ=50°，設(shè)樁位置位于邊坡中上部(即Lx/L=2/3)時，微型樁能夠充分發(fā)揮其加固效果，此位置設(shè)置的三排微型樁平均自由段長度La=5.32 m。為研究微型樁錨固深度對其加固堆積層滑坡效果的影響，取其錨固深度與自由段長度比值La/Lb=1/5，2/5，3/5，4/5，1，6/5，7/5，8/5七組邊坡模型進行數(shù)值模擬分析，研究完整巖層地基中微型樁錨固深度對微型樁加固堆積層滑坡效果的影響。得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與錨固深度的關(guān)系圖如圖5所示，對于該完整巖層地基堆積層滑坡來說，隨著嵌固深度與自由段長度的比值La/Lb的增加，微型樁加固邊坡安全系數(shù)不斷升高，在La/Lb=1.0時趨于平穩(wěn)，在此之后微型樁錨固深度的增加對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響不再明顯。因此，對于微型樁支護此邊坡的錨固深度最優(yōu)長度約為5.32 m。在進行微型樁設(shè)計時，既要考慮邊坡的安全因素，同時也要考慮經(jīng)濟的合理性。

4 結(jié)語

利用巖土工程專業(yè)有限差分元軟件FLAC3D，建立三維微型樁—堆積層邊坡數(shù)值模型，研究微型樁主要設(shè)計參數(shù)對微型樁加固淺層堆積層邊坡效果的影響，結(jié)果對微型樁布樁型式的合理選擇以及對這種柔性支護結(jié)構(gòu)工程設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義，在經(jīng)濟投入相同的情況下，采用一種加固效益最好，安全程度最高的設(shè)樁型式無疑是微型樁這種輕型設(shè)計工作的重心。因此本文通過數(shù)值模擬對不同工況下微型樁加固某淺層堆積層滑坡穩(wěn)定性進行綜合研究分析，為微型樁這種輕型支擋結(jié)構(gòu)體系在邊坡支護設(shè)計研究中的設(shè)樁形式選擇給出以下幾點建議：

1)將樁設(shè)在邊坡中部靠上位置(即Lx/L=2/3)時，微型樁對邊坡的加固效果最好；微型樁設(shè)于坡腳與坡頂位置時，邊坡滑動面與未設(shè)樁時相似，微型樁支護前后對邊坡安全系數(shù)變化影響不明顯，此時微型樁并沒有充分發(fā)揮其加固效果；

2)對于淺層堆積層滑坡，傳統(tǒng)的鉛垂設(shè)樁并不能夠充分發(fā)揮微型樁的加固效果，微型樁設(shè)樁傾角對微型樁加固效果存在很大影響，微型樁加固邊坡時存在最優(yōu)設(shè)樁傾角，對于該堆積層邊坡，最優(yōu)設(shè)樁角度約為50°；

3)樁身錨固深度對微型樁加固效果有著顯著的影響，當(dāng)錨固深度較小時，微型樁無法充分發(fā)揮其支護效果，微型樁會隨滑體滑動發(fā)生翻倒破壞；在一定范圍內(nèi)，隨著錨固深度的增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)不斷增加；當(dāng)微型樁錨固深度達到最優(yōu)長度時，錨固深度變化對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)產(chǎn)生的影響不再明顯，此時增加錨固深度對微型樁的加固效果影響甚微，增加錨固深度會造成大量的經(jīng)濟浪費。對于該堆積層滑坡，最優(yōu)自由段長度與錨固段長度比值約為1.0。