不同邊坡治理方式治理效果對比研究

鄭仕躍，彭文彬，張仁坤，馮安治

(中海建筑有限公司，廣東 深圳 518053)

1 引 言

在自然因素和人為因素的共同作用下，邊坡的巖土抗剪強度隨時間不斷衰減，出現(xiàn)各種病害，嚴重影響公路建設(shè)、運營以及養(yǎng)護等各階段的安全，同時增加了成本。

滑坡屬于最常見的邊坡病害，邊坡表面的巖體受到外部因素干擾后，順著邊坡滑面(邊坡軟弱面)整體向下滑動的一種邊坡病害。當邊坡具有明顯的天然軟弱面，在水的影響下，極易發(fā)生滑坡。發(fā)生滑坡后的邊坡巖土體依然具有完整的巖性結(jié)構(gòu)。

目前，邊坡病害處治技術(shù)發(fā)展逐漸趨于成熟，根據(jù)各地區(qū)地質(zhì)、工程特點，防治措施的選擇還沒有形成統(tǒng)一的標準。目前較為常見的措施有坡率控制法(削坡法)、排水法和巖土錨固技術(shù)。

削坡減載指的是通過對邊坡及時進行平整和刷幫，根據(jù)實際情況采取合適的削坡方案，改變邊坡的輪廓和形狀，從而提高邊坡整體穩(wěn)定性的邊坡病害防治方法。學者和工程師們從削下坡體的運載方式[1]、不同的削坡角度[2]以及對水這一因素的不同考慮方式[3]切入，開展了廣泛的研究。

水是邊坡中極不穩(wěn)定的因素之一。由于土這種材料的性質(zhì)與含水量密切相關(guān)，在強降雨等條件下土質(zhì)邊坡極易發(fā)生失穩(wěn)。關(guān)于土中水對邊坡穩(wěn)定性的影響，研究者們已有一定的研究基礎(chǔ)[4-6]。

抗滑樁加固作為一種常見的邊坡加固方法，具有因地制宜、施工方法多樣以及加固效果好等特點。國內(nèi)很早就開始了對于抗滑樁的多方面研究。從不同分析方法[7，8，17]，不同樁徑[9，15，16]、不同樁體截面形狀[10]、不同布設(shè)位置及形式[11-16]以及不同布設(shè)場地條件[9]等方面開展了廣泛的研究。

通過ABAQUS建立了天然邊坡、經(jīng)削坡處理后的邊坡以及布設(shè)抗滑樁的邊坡模型，通過計算得到了各模型下的安全系數(shù)；通過對抗滑樁進行精細化建模，將樁土模型計算得到的樁頂位移施加在精細化模型上，研究了抗滑樁在滑坡發(fā)生過程中的響應(yīng)特性，并找出了樁身應(yīng)力集中的位置。

2 邊坡有限元模擬

2.1 模型與本構(gòu)

如圖1所示，依托貴州省正習高速十七標內(nèi)一公路邊坡建立分析模型。邊坡高12 m，坡率為0.75∶1。模型中，坡腳向外部、底部延伸5 m，坡頂向外延伸9 m。經(jīng)計算，所取小邊界與常規(guī)邊界(坡腳向外部、底部延伸1.5倍坡高，坡頂向外部延伸2.5倍坡高)計算結(jié)果差異不超過5%，出于簡化計算考慮，取小邊界模型。

圖1 邊坡斷面布置圖

采用Mohr-Coulomb模型來描述土的變形特征，該模型即能夠描述土體變形的基本特征，簡單實用，參數(shù)少。出于簡便考慮，對土體進行了均一化處理。土體密度為1.78 g/cm3，楊氏模量為60 MPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角取為18°，粘聚力取為16 kPa。邊坡模型中抗滑樁采用彈性模型，密度為2.5 t/m3，楊氏模量為42.6 GPa，泊松比為0.2。

擬采用條分法計算滑坡的最大下滑力，從而確定抗滑樁的布設(shè)位置。如圖2，首先將坡體等距分為五塊土條，然后計算各土條的剩余下滑力。根據(jù)計算，本文將抗滑樁設(shè)置在土條3及土條4之間。

圖2 條分法計算圖

3 抗滑樁精細化模型

3.1 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

通過邊坡模型的計算可以得到抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰茣r程，該位移時程作為輸入荷載施加在抗滑樁精細化模型頂部，即實現(xiàn)了樁土分離建模，精簡了計算量。如圖3，抗滑樁直徑為1.2 m，樁長為12 m。等圓心角布置八根直徑為25 mm的HRB335鋼筋。

圖3 抗滑樁精細化模型

對于中柱精細化模型，仍采用Mohr-Coulomb模型來描述土的變形特征。中柱結(jié)構(gòu)延用混凝土塑性損傷模型，中柱內(nèi)縱向受力鋼筋采用Mises理想彈塑性本構(gòu)模型，其中ρ=7.8 g/cm3、E=200 GPa，泊松比為0.1，屈服應(yīng)力為335 MPa，采用內(nèi)置區(qū)域方式與主體結(jié)構(gòu)連接。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)2010年設(shè)計規(guī)范[18]，模型采用的混凝土單軸受壓行為，如圖4所示。

圖4 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

曲線與中柱一樣參照混凝土結(jié)構(gòu)2010年設(shè)計規(guī)范[18]進行取用。

圖5 混凝土單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

此外，在混凝土塑性損傷模型中還有一個需設(shè)參數(shù)為塑性損傷因子，在混凝土結(jié)構(gòu)2010年設(shè)計規(guī)范中也有明確的定義以及計算公式，由于開裂后混凝土結(jié)構(gòu)中的拉伸應(yīng)力主要由鋼筋承擔，混凝土單軸拉伸行為曲線取為線性，所以無需定義拉伸行為的損傷因子。記壓縮損傷因子為dc，其定義為：

(1)

式中：E0為初始彈性模量，Ec為壓縮狀態(tài)下卸載路徑的彈性模量。

圖6 壓縮損傷因子曲線

3 結(jié)果分析

3.1 不同治理方式模擬結(jié)果

圖7為不同治理方式下計算得到的安全系數(shù)以及坡頂水平位移的發(fā)展情況。從安全系數(shù)來看，削坡后計算得到的安全系數(shù)最大，為1.442 09；按方案布設(shè)抗滑樁的邊坡模型計算得到的安全系數(shù)次之，為1.339 36；天然邊坡模型計算得到的安全系數(shù)最小，為1.228 84。取得安全系數(shù)的時刻均為模型終止計算的時刻，若取樁頂位移發(fā)生突變的時刻讀取安全系數(shù)，則具體數(shù)值上還會有微小的變化，但大小關(guān)系不會改變。抗滑樁的安全系數(shù)較之天然邊坡未發(fā)生大幅度的提升，推測其原因應(yīng)該有以下幾個方面。

圖7 安全系數(shù)與坡頂水平位移

首先，抗滑樁的嵌固深度為按經(jīng)驗取值，未像確定樁位一樣進行嚴密的計算推導，所以距離最佳嵌固深度有一定的差距。其次，所建立的模型中， 土層進行了均一化處理， 其弊端就是整個邊坡都處在松散土層，抗滑樁實際并未嵌入穩(wěn)定、堅固的土層，僅在底部進行了約束，導致計算中樁體隨松散土層一并發(fā)生位置的變化，料想并未充分發(fā)揮其強度。邊坡模型中抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰茣r程曲線如圖8所示。

圖8 抗滑樁樁頂水平位移

從各模型計算得到的累積塑性應(yīng)變云圖可以看到，削坡后邊坡的塑性區(qū)位置較之于天然邊坡發(fā)生了一定的后移，整體開展形式較為類似。而經(jīng)過抗滑樁加固邊坡的塑性區(qū)開展則與前者的分布形式有所不同，樁前后的土體，其塑性應(yīng)變的發(fā)展程度截然不同，樁體前后的塑性區(qū)無法貫通，換言之，邊坡未發(fā)生整體性的失穩(wěn)，由此可見雖然同樣最終邊坡發(fā)生了失穩(wěn)，但滑坡的形式與體量有所差異，抗滑樁的存在一定程度上限制了坡體內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展，從而減小了滑坡體的體量，提高了邊坡的安全系數(shù)。

3.2 抗滑樁精細化模擬結(jié)果

將圖8的樁頂位移時程作為輸入荷載施加在模型(圖7(a))頂部，得到了滑坡發(fā)展過程中，抗滑樁的受力變化情況。從計算終止時樁體的等效塑性應(yīng)變云圖，可以看到塑性應(yīng)變累積的位置與的鋼筋發(fā)生應(yīng)力集中的位置大致是吻合的，實際進行工程設(shè)計時，應(yīng)該對這一位置進行重點設(shè)防，增加橫向約束鋼筋的用量，從而保證抗滑樁在工作中不發(fā)生破壞。雖然在圖示位置塑性應(yīng)變有所累積，但其幅值并不是很大，甚至未達到所用混凝土的開裂應(yīng)變，其中有抗滑樁參數(shù)設(shè)置不當?shù)脑?，也有模擬流程不到位的原因，對抗滑樁進行精細化模擬時，未能考慮樁身周圍土體的影響，所以計算結(jié)果存在較大誤差。

4 結(jié) 論

本文通過Abaqus建立了天然邊坡、經(jīng)削坡處理后的邊坡以及布設(shè)抗滑樁的邊坡模型，通過計算得到了各模型下的安全系數(shù)；通過對抗滑樁進行精細化建模，將樁土模型計算得到的樁頂位移施加在精細化模型上，研究了抗滑樁在滑坡發(fā)生過程中的響應(yīng)特性，并找出了樁身應(yīng)力集中的位置。雖然模型精度及參數(shù)選取存在一定的誤差，但結(jié)果仍可以反應(yīng)各治理方式的有效性?？够瑯兜木毣ｋm然仍有諸多不足之處，但思路正確，在未來的研究中可以繼續(xù)完善、應(yīng)用。研究結(jié)論如下。

(1)模擬結(jié)果表明，在本文采用的防護方案下，邊坡安全系數(shù)從高到低排列依次為：削坡后的邊坡、抗滑樁加固后的邊坡以及未作任何處理的天然邊坡。

(2)抗滑樁對坡體內(nèi)塑性區(qū)的貫通有較為顯著的抑制作用，且通過條分法可以確定最佳樁位，通過計算也可以得到合理的樁長和配筋量，是十分有效的滑坡治理手段。

(3)通過對抗滑樁的精細化建模可以得到樁身塑性應(yīng)變累積以及鋼筋發(fā)生應(yīng)力集中的位置和時刻，針對這些區(qū)域進行重點設(shè)防，增加橫向約束鋼筋的用量，可以增加樁體的抗性。

(4)本次模擬雖有諸多考慮不足之處，但整體思路大致正確，在今后的研究學習中可以繼續(xù)完善并應(yīng)用于實踐中。