抗滑樁—格構梁聯合加固邊坡效果分析

趙志強 姚 成

(江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

近年來，在土木工程生產實踐活動中隨著高速公路建設向西部的延伸和發展，涉及了大量的邊坡工程技術課題，由于我國西部地區地形，地質條件較為復雜，深挖高填十分普遍，邊坡工程問題日益突出。目前國內外滑坡災害防治技術措施還包括:卸荷、壓坡角、坡面防護、抗滑樁、錨桿、預應力錨索、綜合加固等方法，在很多大型滑坡災害防治工程中往往同時采用多種防治措施。針對一些地質復雜，巖性較差，節理發育的土質深路塹邊坡，工程中已經開始利用樁打入穩定巖層的預應力錨索抗滑樁阻止山坡整個滑體滑動，外加錨索對格構梁的反拉力來控制滑面的進一步滑動的復合結構。

針對抗滑樁—格構梁聯合應用支護邊坡，根據預應力錨索抗滑樁變形協調原理，在變形協調中增加格構梁的變形影響。本文借助有限元軟件ABAQUS進行建模分析，通過計算結果對比分析，選擇更有利于邊坡加固的方法。

1 錨索、抗滑樁以及格構梁三者變形協調

若預應力錨索抗滑樁—格構梁復合結構在理論設計中考慮將樁與格構連接作為整體，變形如圖1所示。

圖1 抗滑樁與格構梁聯合結構圖

滑動面以上樁身的位移為:

其中，xy0為樁0點處水平位移;φ0為樁0點處轉角;Δiq為滑坡推力或巖土壓力作用于第i根錨索處樁的水平位移;hi為第i根錨索距離滑坡面的距離;Δij為錨索拉力Ni水平分量作用在第j根錨索的水平位移，Δij=Njcosαjδij(αj為第i根錨索與水平線夾角;δij為錨索拉力Ni水平分量作用在第j根錨索的水平位移系數)。

假定錨索的變形計算不考慮樁的撓曲變形對錨索變形的影響，則錨索在預應力作用下的彈性變形Δli，根據胡克定律得:

其中，Δli為第i根錨索彈性伸長量;Ni為第i根錨索作用力;Ni0為第i根錨索初始應力;Eg為錨索的彈性模量;δi為第i根錨索的揉度系數;li為第i根錨索自由段長度與1/3錨固段長度之和;Ai為第i根錨索的截面面積。

根據Winkler地基梁理論，假設地基上任一點所受的壓應力p與該點的地基沉降y成正比，格構梁整體變形如式(3)所示:

此位移對第i根錨索處樁的水平位移影響值為yxi:

其中，ω為滑坡坡角;H為樁身懸臂端長度;k為基床系數。

可依據錨索抗滑樁的變形協調原理將式中增加格構梁水平位移yxi的影響后變為:

由以上理論分析可知，在錨索拉力相同前提下，考慮樁與格構梁的整體連接與兩種結構單獨進行計算相比較，前者的位移變形值應更小，對邊坡穩定性控制應該會更好。文中的單獨結構代表樁、格構梁作為獨立結構，復合結構代表將樁與格構梁連接，作為整體考慮。

2 有限元模型

2.1 模型尺寸與材料參數

根據某工程資料，選擇滑坡斷面，建立邊坡體的尺寸為:坡高12 m，坡率選取1∶1;坡前8 m，坡后15 m;選擇邊坡體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，土的力學參數見表1。

表1 土體力學參數

格構梁模型的基本布置方式:橫、縱梁的間距均為3 m，懸臂端長度為1.5 m，縱梁和樁通過樁頂連梁連接起來;樁長度為12 m。如前所述，格構梁和樁以及連梁都采用 ABAQUS提供C3D8R類型的實體單元來模擬，有關力學參數見表2。

表2 樁與格構梁力學參數

2.2 荷載與邊界條件

該模型主要受重力作用，樁上的錨索拉力以集中力施加在樁頂，大小為200 kN，與水平線夾角為30°;格構錨桿拉力將其簡化為錨桿作用在橫、縱梁交叉面上的面應力，大小為1000 kPa(約合拉力100 kN)。邊界條件為:垂直于x軸的左、右兩個面上，沒有x方向的位移;垂直于z軸的前、后兩個面，沒有z方向的位移;垂直于y軸的底面，沒有x，y，z三個方向的位移。

3 計算結果分析

3.1 滑坡支護前后安全系數對比

將滑坡支護前后的FV(即安全系數)值隨U1(土體水平位移)的變化關系繪于圖2中。從圖2中可知，滑坡本身的安全系數為0.85左右，為不穩定滑坡，當采取支護結構方案都能提高滑坡的安全系數，并且安全系數值在1.2以上，說明支護結構能提高滑坡的穩定性。

圖2 FV隨水平位移的變化關系

3.2 支護結構位移分析對比

圖3～圖6分別給出兩種結構土體強度折減到同一數值時的水平位移等值線云圖以及整體位移等值線云圖。根據強度折減原理在ABAQUS中的實現過程，在計算中止時位移情況如圖7～圖9所示。

圖3 單獨結構水平位移等值線云圖

圖4 復合結構水平位移等值線云圖

圖5 單獨結構整體位移等值線云圖

圖6 復合結構整體位移等值線云圖

圖7 水平剪力隨樁埋深分布

從水平位移圖以及整體位移圖對比可知，單獨結構情況下，格構梁對坡體的加固效果影響范圍較小，并且局部區域內位移過大;復合結構則在很大程度上體現出對邊坡加固的整體性，無論是水平位移等值線云圖還是整體位移等值線云圖，整個邊坡位移變化更均勻。

3.3 抗滑樁剪力分布

圖7比較了單獨結構和復合結構兩種情況下樁身所受水平剪應力的分布情況。計算結構表明，兩種結構下的剪應力分布曲線形狀存在差異。復合結構的第二個剪力為零點出現在樁頂以下大約10.5 m處，單獨結構則出現在12.5 m左右的地方，相比之下，復合結構的樁錨固深度較單獨結構情況下更深。剪應力為負代表樁所受剪力為滑坡下滑方向。

圖8 單獨結構樁間水平位移等值線圖

圖9 復合結構樁間水平位移等值線圖

3.4 樁間土體流失情況對比

圖8和圖9為樁間水平位移等值線圖。從圖中可以看出，單獨結構等值線圖中部出現向x軸負方向的彎曲，說明此時土拱作用已經不太明顯甚至消失，土體已經出現繞樁流失現象;復合結構情況下等值線圖中部曲線彎曲并未完全趨向x軸負方向，甚至部分還存在向x軸正向彎曲。x軸負向為滑坡破壞方向，在等樁間距條件下，通過x軸方向位移等值線圖對比可知，復合結構中還有土拱作用存在。

4 結語

1)抗滑樁—格構梁復合結構整體設計和抗滑樁、格構梁單獨結構設計兩種方法中，前者提高邊坡的安全系數更高，支護后邊坡整體位移變化更均勻，支護效果更好。

2)通過對兩種情況的樁剪力、樁間土體流失情況對比，對于同一邊坡治理問題，在加固效果相同的前提下，考慮將抗滑樁—格構梁作為整體的復合結構可適當增加樁間距或降低樁長，以達到降低工程造價的目的。

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