高陡邊坡抗滑樁-土相互作用離散元模擬及加固分析

梁 策，鄧祥明

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 河池 547200)

0 引言

山區(qū)高速公路路塹高陡邊坡易受到外部各種不穩(wěn)定因素如雨水、地震或者人工等的影響，而發(fā)生滑坡、崩塌等沿著軟弱面或軟弱帶整體或局部向下滑動的地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。針對這一情況，現(xiàn)有的規(guī)范、手冊等給出了重要的參考性方法及措施，但是在實際工程中，如何通過采用合理的工程手段使得工程在滿足安全的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟性、養(yǎng)護便捷和合理性，仍需多方面的研究與探討。目前在邊坡工程中普遍采用的支護方案主要有：抗滑樁、復(fù)合土釘墻、錨桿(索)、混凝土(鋼)內(nèi)支撐等或多種組合支護形式。其中抗滑樁以其設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)組合多樣、成本低、與其他支護手段兼容性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類基坑與邊坡工程當中。其中抗滑樁的設(shè)計優(yōu)化主要以極限平衡法、塑性理論[3]等理論計算手段的改進、室內(nèi)相似模型試驗[4]、原位樁身變形和內(nèi)力的監(jiān)測測試試驗[5]等方法達到抗滑樁的設(shè)計優(yōu)化。

而對于發(fā)生下滑的邊坡，其產(chǎn)生滑動的過程中存在大變形、大位移的特點，有限元方法難以應(yīng)用。而離散元方法因其顆粒間能夠在運動中相互分離、重新接觸鏈接，對于這種大變形問題擁有較好的適用性[6]。國內(nèi)外學者對采用離散元法模擬滑坡已開展了廣泛的研究。

本文以某山區(qū)高速公路樁號為K40+440段高陡邊坡為具體研究對象，利用PFC顆粒流軟件對邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固效果開展離散元模擬分析，為相關(guān)工程實踐提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

該高速公路邊坡為高陡型邊坡，地形陡峭。其中，上覆土層為粉質(zhì)黏土，厚2～4 m。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)(T2)泥巖。該邊坡巖層產(chǎn)狀較為多變，取最不利的巖層產(chǎn)狀：40°∠230，為順向邊坡。強風化層厚約15 m，邊坡最大高度為60.4 m。強風化巖體較為破碎，碎塊間結(jié)合很差，物理力學參數(shù)較低，邊坡開挖后穩(wěn)定性差，易發(fā)生崩塌、弧形滑動。根據(jù)工程地質(zhì)勘察現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗，邊坡的巖土體力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體的物理力學參數(shù)表

2 PFC離散元模型的建立

2.1 細觀參數(shù)標定與驗證

PFC顆粒流離散元是模擬離散巖土體的一種有效方法，其中離散元模擬中所需參數(shù)是一系列細觀參數(shù)，包括顆粒接觸模量、粘結(jié)強度、摩擦系數(shù)與顆粒重度等關(guān)鍵變量及相應(yīng)微觀倍率。這些參數(shù)與實際的材料物理力學參數(shù)尚沒有直接可以準確應(yīng)用的對應(yīng)關(guān)系，因此不能將實驗得到的參數(shù)通過特定轉(zhuǎn)換公式不加矯正地直接應(yīng)用于PFC顆粒流離散元模擬。細觀參數(shù)標定通常是通過數(shù)值模擬試驗(如單軸壓縮試驗、雙軸壓縮試驗或巴西劈裂試驗等)來建立彼此之間的聯(lián)系，從而達到參數(shù)標定的作用，其本質(zhì)上是一種等效代換標定。該邊坡的巖土體材料細觀參數(shù)標定結(jié)果見下頁表2。

因本邊坡高為60.4 m，長約80 m，根據(jù)材料性質(zhì)的不同，可分為上下兩個區(qū)域。為了更加準確地確定最危險滑面，對邊坡表面根據(jù)其屬性不同進行分區(qū)與建立模型。

表2 離散元材料細觀參數(shù)表

2.2 離散元模型的建立

通過采用PFC 2D軟件，利用上述所得細觀參數(shù)，建立了標準的2D邊坡模型。其簡要建模過程如下：CAD建立模型→PFC軟件導入單層dxf文件→每單層通過顆粒半徑、孔隙比控制填充→循環(huán)完成全部層面建立→膠結(jié)固定→定義材料及屬性→模型應(yīng)力平衡→控制約束邊界→計算邊坡穩(wěn)定性→進行數(shù)據(jù)后處理與分析。

在CAD中繪制滑坡各層邊界與邊坡最外層輪廓邊界，按照重力堆積順序分別生成dxf文件。通過各dxf文件形成“wall”單元生成各層面坡面地形與組合成分界面?？紤]到因離散元中的尺寸效應(yīng)與顆粒數(shù)量會對計算精度與計算速度產(chǎn)生不利影響，根據(jù)相關(guān)研究成果[7]采用“ball”命令生成顆粒，并使顆粒直徑小于最短模型邊界1/30時，即可取得較好的計算精度與速度的平衡。通過模擬重力作用，使邊坡范圍內(nèi)的顆粒在重力作用下平衡后，刪除堆積體外的顆粒，并根據(jù)所對應(yīng)的巖土體微觀參數(shù)屬性對由dxf文件所確定顆粒集合進行分組，分別賦予其屬性數(shù)值。最終生成的模型如圖1所示。

本研究通過分別建立原始邊坡模型、多級邊坡模型與多級邊坡組合抗滑樁加固模型等不同模型，對高陡邊坡抗滑樁-土相互作用及加固效果進行研究對比。為實時獲得邊坡在計算滑動過程中巖土體所處的應(yīng)力狀態(tài)及孔隙率等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，在潛在滑動面、樁身周圍以及樁端范圍內(nèi)布設(shè)了一系列測量圓(見圖2)。

圖1 原始邊坡離散元模型圖

圖2 樁周測量圓布設(shè)位置示意圖

3 荷載傳遞規(guī)律及滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 滑坡穩(wěn)定性分析

待顆粒平衡到位后，通過刪除每個層面之間的分界墻，并對滑坡模型施加重力作用，讓完成平衡過程的顆粒速度以及位移清零，并使其在重力作用下發(fā)生自然下滑過程。

(1)對于路基邊坡在未采取防護措施的工況下，邊坡坡體出現(xiàn)了與預(yù)測相一致的貫通連續(xù)滑動面(如圖3所示)，即該邊坡存在著坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑移的可能性。在該工況下滑坡中顆粒的最大水平滑動距離約為21 m。

圖3 原始邊坡位移云圖

(2)由于原始邊坡穩(wěn)定性不滿足相關(guān)安全要求，故通過對原始邊坡采用多級邊坡的防護方法進行加固防護。通過同樣的步驟與穩(wěn)定時間后的位移情況如圖4所示。對比圖3可以看出，該邊坡未能出現(xiàn)完全貫通面，但是受到上覆物整體重量較大的影響，在最下一級邊坡特別是坡腳處出現(xiàn)了較大的水平向位移，這對邊坡的整體安全存在一定的不利影響，其最大水平位移為3～4 m。相較于原始邊坡的21 m雖有所減小，但是仍不滿足邊坡足夠的安全需求，需要針對這一問題進一步增強支護效果。

(3)針對如圖4所示上面層部分區(qū)域位移較大這一不利情況，通過在最低一級邊坡坡頂采用抗滑樁進行加固的方法，解決了最低一級邊坡穩(wěn)定性不足的問題，其采用的抗滑樁長度為20 m、直徑為220 cm。在該工況下穩(wěn)定后，本邊坡最大水平位移出現(xiàn)在樁外側(cè)未進行加固的土體顆粒中，其水平位移可達2.6～3 m，未能實現(xiàn)完全的穩(wěn)定；而經(jīng)過抗滑樁加固的上部巖土體位移顯著減小(如圖5所示)，平均最大位移約為0.8 m左右。而本模型中顆粒直徑同樣在0.8 m左右水平，可以認為其移動程度很低，邊坡整體穩(wěn)定性較好，滿足邊坡安全所需。

圖4 采用多級邊坡處理的位移云圖

但是，在這一工況下應(yīng)注意到存在著第一級邊坡出現(xiàn)部分顆粒發(fā)生較大位移以及樁上部多級邊坡仍存在一定程度變形等問題。對此需要對坡面進行加固處理。

圖5 多級邊坡結(jié)合抗滑樁加固后位移云圖

3.2 荷載傳遞規(guī)律

在抗滑樁加固這一方法中抗滑樁樁側(cè)的水平向阻力的傳遞規(guī)律也是影響邊坡穩(wěn)定與整體安全的重要因素。通過前面布置的測量圓獲得水平向的力學表現(xiàn)。由圖6可知，水平向側(cè)阻力隨著深度的增加逐步提高，在巖土交界面由于性質(zhì)變化出現(xiàn)了下降，交界面兩側(cè)的力增長速度也存在明顯不同。深度在80 m附近，作為原潛在滑動面，顆粒間孔隙度出現(xiàn)了顯著減小，水平向力出現(xiàn)了明顯的變化，這一力學變化規(guī)律對于樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導價值。

樁與巖土體力鏈關(guān)系如圖7所示。根據(jù)該圖可以看出，邊坡的力鏈分布服從上小向下大逐漸發(fā)展的過程規(guī)律。在樁抗滑側(cè)的力鏈顯著大于背滑側(cè)且廣泛地與樁相結(jié)合，從樁側(cè)延伸至邊坡內(nèi)部較深位置，證明樁起到了很好的止滑作用。在樁的另一側(cè)，力鏈分布稀疏且長度較短，該側(cè)總體受力明顯較弱。

圖6 水平向側(cè)阻力與深度關(guān)系曲線圖

圖7 樁與巖土體力鏈云圖

4 結(jié)語

本文以某高速公路的高陡邊坡為例，采用PFC 2D軟件建立了邊坡二維模型并對其各工況下的穩(wěn)定性進行了分析；在考慮樁-土相互作用的基礎(chǔ)上，研究抗滑樁支護的原邊坡變形破壞特點，并以此為基礎(chǔ)對變形破壞的邊坡進行支護設(shè)計研究。研究結(jié)果表明：

(1)離散元法可以通過定期對顆粒的觀測實現(xiàn)對滑坡破壞的全過程分析，并能夠直觀地展現(xiàn)出滑坡破壞的過程，可以很好地揭示滑坡的形成過程與破壞機理，為整體支護設(shè)計提供參考。

(2)通過采用多級邊坡對邊坡進行支護處理，基本可以實現(xiàn)邊坡主體穩(wěn)定。在多級邊坡這一基礎(chǔ)上配合采用抗滑樁進行支護，效果顯著提高，達到了安全防護的目的。

(3)抗滑樁的側(cè)阻力隨著深度的增加而增大。在潛在滑動面由于顆?？紫抖鹊南陆担w粒間作用力有所下降，致使力出現(xiàn)了波動。這一潛在的剪切作用為抗滑樁設(shè)計提供了重要的參考。

(4)結(jié)合第一級邊坡出現(xiàn)部分顆粒發(fā)生較大位移以及樁上部仍存在一定程度的變形等問題，建議對各級邊坡進行錨索框架支護，而且第一級、第二級邊坡是重點需要關(guān)注的對象。