水位波動對抗滑樁加固機(jī)理影響研究

余文鋒

(佛山市高明區(qū)城市重建和項(xiàng)目代建中心，廣東 佛山 528500)

1 工程概況

庫區(qū)邊坡長350 m，寬200 m，坡高約為210 m，坡比約為1∶2.4?；w主要成分為含碎石的粉質(zhì)黏土，滑床為砂巖與風(fēng)化巖層互層結(jié)構(gòu)。邊坡典型剖面如圖1所示。根據(jù)土工試驗(yàn)得到巖土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 典型地質(zhì)剖面

2 數(shù)值模型

ABAQUS是一款通用型商業(yè)軟件，軟件內(nèi)嵌了豐富的材料本構(gòu)模型和分析方法，可高效的模擬各種非線性問題。本文采用ABAQUS進(jìn)行建模與分析，根據(jù)典型地質(zhì)剖面建立計(jì)算模型如圖2所示。其中土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，抗滑樁采用各向同性完全彈性本構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

設(shè)計(jì)了三種計(jì)算工況分別為：(1)滑坡體天然狀態(tài)。(2)庫水位由175 m降至145 m，并考慮滲透力作用和樁土作用。(3)庫水位由145 m上升至175 m，考慮樁土間的作用。

模型網(wǎng)格共35 840，節(jié)點(diǎn)數(shù)為155 650(圖2)。選取某一抗滑樁所在的典型剖面進(jìn)行分析計(jì)算。模型長350 m，高為200 m，樁長60 m，直徑為2.4 m，樁心距為6 m。模型的邊界條件為：底部為全固定約束邊界，頂部為自由邊界，模型的左右邊界限制水平位移。模型在不同工況下采用的力學(xué)參數(shù)匯總于表2。

表2 模型計(jì)算參數(shù)

計(jì)算過程中所需要的滑帶水土特征曲線采用樣本擬合方式獲取，最終結(jié)果見圖3。

圖3 滑帶土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)變特征

圖4和圖5為模型的應(yīng)變云圖。圖4結(jié)果表明，在天然工況下，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)水位上升時(shí)，坡體前緣應(yīng)力迅速增大，方向指向坡體內(nèi)部。此外，樁與土體的界面處的應(yīng)變變化不明顯。受自重作用，坡體最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置處于坡腳，最大值為5.5 MPa。

圖4 天然工況下滑坡應(yīng)變云圖

圖5 水位降低工況下滑坡應(yīng)變云圖

當(dāng)水位下降時(shí)，坡體的水平位移明顯增大，穩(wěn)定性降低。當(dāng)水位降低至145 m時(shí)，坡體由于滲透力的作用導(dǎo)致穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，滑帶處應(yīng)變增大。相對工況一而言，工況二最大應(yīng)力產(chǎn)生的位置在滑帶與坡腳連接位置，最大應(yīng)力為6.6 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.1×10-3(圖5)。

工況三為水位上升至175 m。相較于工況二來說，坡體應(yīng)力減小較多。此時(shí)，由于巖體的抗剪強(qiáng)度降低，邊坡穩(wěn)定性下降，樁土作用開始發(fā)揮(圖6)。與工況二相比，滑坡頂部的應(yīng)力減小15%。此外，水位上升導(dǎo)致土體含水率升高，土體基質(zhì)吸力降低，巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，滑坡穩(wěn)定性降低，滑帶處變形較大，可能發(fā)生整體滑動[1-2]。

3.2 應(yīng)力特征

通常邊坡在位移發(fā)生改變的過程中，土體與樁體的應(yīng)力狀態(tài)有所差異。為了詳細(xì)分析在水位波動下樁土應(yīng)變變化過程，本文在模型中布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)：其中監(jiān)測點(diǎn)1位于樁與滑體接觸面，監(jiān)測點(diǎn)2位于樁與滑帶接觸面，監(jiān)測點(diǎn)3位于樁與滑床接觸面。三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在不同工況下的應(yīng)力時(shí)程曲線見圖7。

(a)監(jiān)測點(diǎn)1

(b)監(jiān)測點(diǎn)3

(c)監(jiān)測點(diǎn)2圖7 各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力變化

圖7表明，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線在三種不同工況下變化規(guī)律基本一致，均為先增大后趨于平緩的趨勢。其中監(jiān)測點(diǎn)1表明，在工況二情況下，應(yīng)力變化速率最大，說明在水位下降時(shí)，滑坡孔隙水壓力消散較快，土體飽和狀態(tài)發(fā)生改變，監(jiān)測點(diǎn)1的應(yīng)力最大值為43 MPa；監(jiān)測點(diǎn)2在天然工況下相對穩(wěn)定，而其余兩種工況下變化較大，主要是由于水的浸泡作用而軟化，強(qiáng)度降低，進(jìn)一步導(dǎo)致樁的位移增大；監(jiān)測點(diǎn)3位于抗滑樁錨固段中下部，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在水位下降至145 m時(shí)，應(yīng)力最大值為52 MPa，最小值出現(xiàn)在天然工況下，最小值為30 MPa?？傮w來看，樁前土壓力分別呈上大下小的倒三角形。其他條件相同時(shí)，抗滑樁嵌固段不同位置處土壓力變化與巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)[3]。對于嵌固段處于堅(jiān)硬滑床結(jié)構(gòu)的情況下，土壓力大于軟滑床結(jié)構(gòu)的土壓力。

4 結(jié) 論

(1)庫水位波動條件下，巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)弱化，對邊坡的穩(wěn)定性是不利的?？够瑯赌軌蛴行У靥岣哌吰碌姆€(wěn)定性，但水位波動對抗滑樁的阻滑效果也會產(chǎn)生不利影響。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)適當(dāng)提高抗滑樁的安全儲備系數(shù)，保證邊坡穩(wěn)定性。

(2)庫水位變化的條件下，坡體的最大應(yīng)變值出現(xiàn)在滑帶中部位置，而應(yīng)變最小位置在滑坡頂部。此外，水位上升導(dǎo)致滑坡頂部位置位移增大，樁土作用明顯。