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    G214線囊謙至多普瑪段滑坡治理措施研究*

    2021-07-29 07:52:20高文軍屈耀輝楊存進(jìn)吳紅剛
    公路與汽運(yùn) 2021年4期
    關(guān)鍵詞:抗滑樁路堤滑坡

    高文軍, 屈耀輝, 楊存進(jìn), 吳紅剛

    (中鐵西北科學(xué)研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730000)

    囊謙至多普瑪段是G214線的重要組成部分,其中特殊困難路段約6.5 m,路面寬度為7.5 m。該路段位于青海東部偏南地區(qū)玉樹藏族自治州囊謙縣境內(nèi),該地區(qū)自從新生代(KZ)以來地殼新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁發(fā)生,地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌復(fù)雜多變,地層巖性較差,斷裂破碎帶與褶皺不斷增長(zhǎng),受人為因素及降雨等的影響,經(jīng)常出現(xiàn)滑坡、路基下陷及邊坡塌滑情況。常見滑坡治理方式包括坡面防滑與排水等。坡面防護(hù)是向坡面上噴射砼,從根本上防止滑坡的發(fā)生,但其成本較高,只適合小面積滑坡,不適用于滑坡多發(fā)的大面積區(qū)域;通過排水解決滑坡,需大面積布置排水孔和砼片石,工序過于麻煩。使用抗滑樁加固滑坡巖土,將抗滑樁插入滑動(dòng)面下的穩(wěn)定層中,利用穩(wěn)定地層巖土錨固作用抵抗滑坡推力,從而穩(wěn)定坡體結(jié)構(gòu)。該文研究抗滑樁治理囊謙至多普瑪段公路滑坡的情況,并研究濕化作用對(duì)抗滑樁的影響。

    1 抗滑樁治理滑坡分析

    1.1 結(jié)構(gòu)有限元分析

    該路段滑坡抗滑樁橫截面見圖1。

    圖1 抗滑樁橫截面

    使用有限元法計(jì)算抗滑樁,能考慮影響樁基工作性能的所有因素,包括動(dòng)力效應(yīng)、固結(jié)效應(yīng)及非線性性質(zhì)等,能充分考慮三維效應(yīng)計(jì)算樁周及樁中的變形和應(yīng)力。數(shù)值模擬抗滑樁時(shí)會(huì)遇到很多影響因素,包括抗滑樁和土體之間的相互作用、砼中鋼筋用量、土體物理力學(xué)指標(biāo)和變形指標(biāo)。模擬抗滑樁和周圍土體相互作用時(shí)使用非線性彈性單元。為加強(qiáng)有限元模型的非線性求解收斂性,采取如下措施: 1) 使用增量求解技術(shù),結(jié)合線性搜索技術(shù),實(shí)現(xiàn)變形歷程跟蹤。2) 合理劃分荷載子步數(shù),降低非線性程度。

    計(jì)算非線性時(shí)最常用的收斂方式為力收斂準(zhǔn)則和位移收斂準(zhǔn)則。采用位移收斂準(zhǔn)則時(shí)總位移精確值t+ΔtwT與第i次迭代生成的位移增量Δw(i)的比值需保持在一定精度內(nèi),公式如下:

    (1)

    式中:lw、‖‖2分別為給定的位移精度與矢量的二范數(shù)。

    一般情況下按下式判斷:

    (2)

    與位移收斂準(zhǔn)則相對(duì)的力收斂準(zhǔn)則為:

    (3)

    式中:e為力的增量。

    抗滑樁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),力收斂準(zhǔn)則精度控制在2%~5%,位移收斂初始容差低于1%。為實(shí)現(xiàn)收斂,降低收斂容差,反復(fù)計(jì)算后,獲得逐漸平穩(wěn)的相鄰誤差求解結(jié)果,使用二范數(shù)收斂準(zhǔn)則調(diào)整收斂精度。解決非線性求解收斂性問題后,構(gòu)建抗滑樁有限元模型。

    1.2 濕化有限元分析

    (1) 劃分網(wǎng)格與模型計(jì)算。邊坡發(fā)生干濕循環(huán),導(dǎo)致滑坡。該項(xiàng)目所在地區(qū)年降水量較高,降水時(shí)間較長(zhǎng),需進(jìn)行濕化有限元分析。邊坡計(jì)算網(wǎng)格見圖2,抗滑樁長(zhǎng)度與樁徑分別為10、1 m??够瑯队邢拊?jì)算分為兩級(jí),一級(jí)是在巖層和土層中的原始應(yīng)力狀態(tài);另一級(jí)是由于降雨導(dǎo)致的入滲濕化。該項(xiàng)目因降雨入滲導(dǎo)致土體膨脹,水分不能正常向下入滲,通常情況下入滲深度為2~4 m,數(shù)值模擬時(shí)設(shè)定濕化深度為3 m。采用等應(yīng)力法分析濕化作用對(duì)抗滑樁受力和變形特性、邊坡安全的影響。

    圖2 邊坡濕化模型

    (2) 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)。土體變形受到加荷應(yīng)力路徑與荷載大小的影響,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性。土體的變形性狀采用鄧肯非線性彈性模型模擬,采用鄧肯E-v模型:

    (4)

    (5)

    假設(shè)土體為一種均質(zhì)各向同性材料,通過濕化變形試驗(yàn)獲取計(jì)算參數(shù),表1為鄧肯E-v模型的計(jì)算參數(shù),表2為抗滑樁-接觸面耦合彈簧的計(jì)算參數(shù)。

    表1 鄧肯E-v模型的計(jì)算參數(shù)

    表2 抗滑樁-接觸面耦合彈簧的計(jì)算參數(shù)

    模型左右兩側(cè)施加X向約束,前后兩側(cè)及底側(cè)分別施加Y、Z向約束,模擬路堤荷載作用下邊坡軟弱地基面的沉降。獲取天然地基初始單元,不考慮抗滑樁和路堤單元,對(duì)路堤的水平分層分布進(jìn)行模擬,得到整個(gè)土體的側(cè)移與沉降。

    2 模擬結(jié)果與分析

    使用Surfer軟件繪制土工離心模型與FLAC3D模型,針對(duì)使用抗滑樁和未使用抗滑樁2種工況進(jìn)行分析,得到邊坡軟弱地基區(qū)域在路堤荷載作用下位移等值線圖(見圖3)。從圖3可看出:未使用抗滑樁時(shí)邊坡坡腳出現(xiàn)較明顯的地層隆起,而使用抗滑樁后未出現(xiàn)明顯隆起,抗滑樁對(duì)地基的水平位移發(fā)揮了限制作用,說明抗滑樁能有效治理囊謙至多普瑪段公路滑坡。

    圖3 位移等值線圖(單位:mm)

    設(shè)置2.5、4.5、6.5、8.5 m 4種抗滑樁樁距,其他參數(shù)不變,分析抗滑樁樁距敏感性。4種工況下沿抗滑樁深度方向(X方向)的水平位移與彎矩分布見圖4。從圖4可看出:樁距越大,抗滑樁承受的水平位移與彎矩越大,總體增長(zhǎng)趨勢(shì)較緩和,表明邊坡內(nèi)的側(cè)向荷載向抗滑樁轉(zhuǎn)移,需提高抗滑樁的剛度才能有效治理滑坡災(zāi)害。綜合考慮成本和可行性,確定抗滑樁樁距為4.5 m。

    圖4 樁距對(duì)抗滑樁水平位移與彎矩的影響

    濕化作用會(huì)對(duì)抗滑樁造成影響,圖5、圖6為濕化前后抗滑樁受力和變形的變化情況。從圖5、圖6可以看出:受濕化作用影響,抗滑樁的大主應(yīng)力在抗滑樁深度為5 m時(shí)出現(xiàn)較大增幅,主要是由于邊坡和抗滑樁之間協(xié)調(diào)變形,上部土體產(chǎn)生的下滑力由抗滑樁承擔(dān),阻止土體下滑,有效治理滑坡災(zāi)害;抗滑樁深度對(duì)小主應(yīng)力的影響較小,且出現(xiàn)反復(fù)變化;隨著抗滑樁深度的增加,濕化作用對(duì)抗滑樁位移的影響越來越小,主要原因是濕化只在土體表層發(fā)生,抗滑樁埋放較深時(shí),土體濕化不會(huì)對(duì)抗滑樁產(chǎn)生影響;濕化作用對(duì)抗滑樁沉降的影響較小,在5 mm內(nèi),但沉降增幅約80%,濕化作用對(duì)抗滑樁沉降的影響較大。

    圖5 濕化作用對(duì)抗滑樁應(yīng)力的影響

    圖6 濕化作用對(duì)抗滑樁位移沉降的影響

    3 結(jié)論

    采用抗滑樁治理G214線囊謙至多普瑪段公路滑坡,解決非線性求解收斂性問題后,構(gòu)建有限元模型對(duì)抗滑樁加固進(jìn)行計(jì)算,模擬路堤的水平分層分布,獲取整個(gè)土體的側(cè)移與沉降。結(jié)果顯示:樁距會(huì)對(duì)抗滑樁治理滑坡造成影響,樁距越大,抗滑樁承受的水平位移與彎矩越大;巖土的濕化作用也會(huì)對(duì)抗滑樁治理滑坡造成影響,濕化會(huì)提升抗滑樁的大小主應(yīng)力,增加邊坡穩(wěn)定性。

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