高速公路改擴建工程邊坡抗滑樁加固效果數值分析

羅根傳，何忠明，曾鈴

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高速公路改擴建工程邊坡抗滑樁加固效果數值分析

羅根傳1, 2，何忠明1，曾鈴3

(1. 長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙，410004；2. 廣西壯族自治區交通投資集團有限公司，廣西南寧，530028；3. 長沙理工大學土木與建筑工程學院，湖南長沙，410004)

為了分析改擴建工程中使用抗滑樁對邊坡加固治理時的支護穩定性，基于FLAC3D軟件對某改擴建邊坡利用抗滑樁加固效果進行數值模擬，得到邊坡的應力應變云圖、樁身前后巖體壓力及樁自身內力的分布規律。研究結果表明：抗滑樁的阻擋作用使樁周巖體局部應力增加，抗滑樁處的剪應變增量增大；抗滑樁前、后的巖土壓力呈三角形分布，邊坡滑裂面以下巖土壓力分布復雜，可近似認為屬于梯形或矩形分布；抗滑樁樁體在滑裂面位置處的剪力和彎矩最大。

改擴建；抗滑樁；樁巖相互作用機理；加固效果

隨著我國基礎設施建設的大規模啟動，邊坡與滑坡工程治理引起了眾多學者的重視。抗滑樁加固因具有支擋效果好、施工期短、施工靈活等優點，成為治理邊坡及滑坡工程的常見手段之一[1?3]。而且隨著原 有高速公路改擴建工程的不斷增加，采用抗滑樁提高改擴建邊坡穩定性的方法也逐漸增多，但在此過程中會出現許多關于抗滑樁支護穩定性的問題，如支護樁開挖擾動對邊坡土體容易造成影響等[4]。近年來，一些研究者對抗滑樁的問題進行了研究，如：吳鵬等[5]通過分析抗滑樁的荷載位移曲線變化規律，提出了考慮樁土滑移動態調整的分析計算方法；高長勝[6]通過試驗手段對穩定計算中土體強度指標、邊坡變形破壞發生機制及抗滑樁與土體相互作用進行了研究，指出采用雙排抗滑樁的加固效果明顯好于相對應單排樁的加固效果；朱彥鵬等[7]提出集中彈簧模型建立支護樁與土相互作用的?曲線，推導出考慮非線性共同作用的預應力錨桿支護樁的撓曲微分方程；呂慶等[8]采用平面應變有限元分析模型，對樁周土應力應變變化規律進行研究，解釋了土拱作用的力學機理。以上研究均對抗滑樁受力情況或樁土共同作用產生的土拱效應進行了研究，但對于樁?巖之間的耦合效應特別是基于數值分析方法來反映樁?巖之間相互作用的研究尚少。為此，本文作者利用FLAC-3D數值分析方法，對抗滑樁樁?巖之間的相互作用機理及加固效果進行分析，以便為工程實踐提供參考。

1 樁?巖相互作用機理

在FLAC-3D中，樁與實體單元之間的相互作用通過耦合彈簧實現[9?12]。耦合彈簧為非線性、可滑動的連接體，能夠在樁身節點和實體單元之間傳遞力和彎矩。樁力學機理模型如圖1所示。樁單元包括3個彈簧單元：彈簧1和2為切向彈簧，可以模擬接觸面之間的相對位移；彈簧3為法向彈簧，可以模擬法向荷載的作用及樁周圍巖土對樁身的擠壓作用。

圖1 樁力學機理模型

樁巖之間的接觸面單元可以通過接觸面節點和實體單元之間建立聯系[13?15]。接觸面法向方向所受到的力由目標面方向決定。在每個時步中，首先得到接觸面節點和目標面之間的絕對法向刺入量和相對剪切速度，再利用接觸面本構模型計算法向力和切向力。處于彈性階段時，+Δ時刻接觸面的法向應力和切向應力通過下式計算：

n(t+Δt)=nn+n(1)

si(t+Δt)=si(t)+sΔsi(t+0.5Δt)+si(2)

式中：n(t+Δt)為法向矢量；si(t+Δt)為切向力矢量；n為接觸面單元灌入目標面的絕對位移；Δsi為相對剪切位移矢量；n為初始化造成的附加法向應力；si為初始化造成的附加切向應力；n和s為接觸面單元的法向和切向剛度；為單元節點代表的面積。

樁?巖之間的剪切行為如圖2所示。當樁?砂漿、砂漿?巖石界面發生剪切滑移時，利用樁單元法向平均有效圍壓m、砂漿的黏結強度g、砂漿的剪切剛度sa、砂漿的內摩擦角g、砂漿的外周長g，可得到相應的力學性質。m根據下式得到：

圖2 樁變形模型

式中：b1和b2為樁軸線的法平面應力。假設相應接觸面符合Mohr-Coulomb破壞模型，樁的軸向剪力可表示為

式中：sa為砂漿體內產生的剪切力；bs為樁和巖土界面之間的相對位移；為樁長。

樁的橫向抗剪能力ns為

ns=nsbn(5)

式中：ns為樁的橫向剪切剛度；bn為樁的橫向位移。

2 計算模型的建立

泉州—南寧高速公路柳州(鹿寨)—南寧段改擴建工程K1369+400右側高邊坡，基巖為灰白色厚層灰巖，中—微風化，巖石堅硬，巖層產狀為320°∠21°，節理較發育。原有邊坡坡高28.8 m，分為3級，每級坡比為1:0.75，根據邊坡地質條件分析，改擴建擬采用垂直開挖坡腳方案：先對老路底部進行抗滑樁預加固，然后，拆除樁前邊坡圬工防護、自上而下逐排開挖并逐排張拉錨索，與抗滑樁形成受力整體。抗滑樁長14.0 m，直徑為2.0 m，樁體采用C30混凝土，邊坡巖體和抗滑樁的物理力學參數如表1所示。利用ANSYS有限元軟件，根據實際地形及地層坡面土進行三維數值建模，再將數值模型導入FLAC3D中，設置樁與巖體的黏結力和內摩擦角與所接觸的巖體相 同，二者的切向剛度和法向剛度均為1.3×1011N/m。模型底部置剛性約束，兩側設置水平約束，模型材料選用Mohr?Coulomb彈塑性材料，屈服準則采用莫 爾?庫侖準則，以最大不平衡力比率趨近于10?5為計算收斂值[16]，模型網格劃分共生成節點13 629個，單元11 590個，計算模型如圖3所示。

表1 材料物理力學參數

圖3 數值計算模型

3 計算結果分析

3.1 無抗滑樁支護結果分析

圖4和圖5所示分別為無抗滑樁條件下的水平等值云圖與剪切應變等量云圖，采用強度折減法計算得到邊坡在無抗滑樁支護時的安全系數為1.08。從圖4可以看出：當無抗滑樁支護時，邊坡上部的水平位移整體較大，最大值出現在開挖后的坡腳處，達到22.9 cm，表現出由坡腳向上逐漸減小的趨勢。從圖5可見：剪切應變增量較大值在邊坡內部已具有連續貫通的趨勢，且此時邊坡的安全系數為1.08，小于規范所要求的最低值，可以推斷此時邊坡處于較危險的狀態，需要及時進行加固處理。

圖4 無支護時的水平位移等值云圖

圖5 無支護時的剪切應變增量云圖

3.2 抗滑樁支護效果分析

按照模型中所設計的抗滑樁支護方案對邊坡進行支護，計算所得的水平及豎向位移等值云圖見圖6與圖7。從圖6可以看出：邊坡的最大水平位移出現在垂直開挖的坡腳附近，最大值為1.45 mm；抗滑樁施加后，有效抑制了邊坡土體的水平位移，其與邊坡形成有機整體，利用自身的強度和剛度阻止了邊坡上部的持續滑移。從圖7可以看出：邊坡的最大豎向位移出現在樁前開挖坡體處，最大值為12.01 mm，方向豎直向上。這是由于抗滑樁的作用抑制了樁后巖體的變形，使得樁后巖體應力沿樁向下傳遞至新開挖路面處，造成新開挖路面呈現向上隆起的現象，這一現象通過速度矢量圖(圖8)得到更好體現。

圖6 有支護時的水平位移等值云圖

圖7 有支護時的豎向位移等值云圖

圖8 有支護時的速度矢量圖

開挖完成后邊坡的剪切應變增量云圖如圖9所示。從圖9可見：與未支護時相比，剪切應變增量分布形狀不再與坡面平行，剪力通過樁底傳至行車道，這大大降低了邊坡滑動的風險。由于抗滑樁的阻擋作用，致使樁周巖體局部應力增加，從而導致其剪應變也相應增加，抗滑樁處的剪應變增量也較大。

圖9 有支護時的剪切應變增量云圖

圖10所示為抗滑樁樁前樁后巖體壓力分布圖。從圖10可見：在抗滑樁滑裂面以上，樁前樁后巖體壓力大致呈三角形分布；而在滑裂面以下，巖體壓力變得復雜，但可近似取為矩形或梯形分布。樁后滑坡推力和樁前巖體抗力分布及其合力作用點受滑動面形狀、部位、滑坡的類型、巖層性質、抗滑樁變形等綜合因素的影響，所以，在具體分析時，應根據現場監測情況確定巖體壓力分布，而數值計算可作為一種驗證 手段。

1—樁前巖體壓力；2—樁后巖體壓力

通過對安全系數進行反算，計算抗滑樁樁體的有效推力(有效推力為樁后推力與樁前抗力之差，可通過滑裂面以上樁長范圍內樁前樁后土體水平向應力的積分獲得[17])，進而得到樁體自身的剪力和彎矩，分別如圖11和圖12所示。從圖11和圖12可以看出：在樁身約1/3高度處，剪力發生了突變，彎矩達到最大值，這與剪切應變增量云圖相符；而位于基巖中樁體的剪力和彎矩變化不明顯，因此，可以在樁體上部施加錨索結構形成樁錨體系，以進一步增加支護性能，從而也可減小樁體本身內力。

圖11 樁體剪力分布圖

圖12 樁體彎矩分布圖

4 結論

1) 抗滑樁用于支檔邊坡后，由于抗滑樁的阻擋作用，樁周巖體局部應力增加，從而導致其剪應變增大，且抗滑樁處的剪應變增量也較大。

2) 抗滑樁樁前、后巖體壓力大致呈三角形分布，而在滑裂面以下，巖體壓力可近似取為矩形或梯形分布，顯得較復雜。樁后滑坡推力和樁前巖體抗力分布受滑動面形狀、部位、滑坡的類型、巖層性質、抗滑樁變形等綜合因素的影響。

3) 抗滑樁樁體在滑裂面位置處的剪力和彎矩最大，因此，可在相應位置施加錨索結構形成樁錨體系，以進一步增強支檔性能，保證邊坡安全穩定。

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(編輯 陳燦華)

Numerical analysis of reinforcement effect of slope anti-slide pile on expressway reconstruction projection

LUO Genchuan1, 2, HE Zhongming1, ZENG Ling3

(1. School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science &Technology, Changsha 410004, China;2. Communications Investment Group Co. Ltd of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530028, China;3. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science &Technology, Changsha 410004, China)

In order to analyze the stability in the expansion project when the anti-slide plie was used on slope governance, by using numerical simulation to analyze the effect of strengthening of anti-slide plie on a expansion project which was based on FLAC3D, the stress strain contours of the slope, body stress of rock before and after pile and its internal force distribution were obtained. The results show that the anti-slide pile blocking effect makes the local stress of rock mass increase, and anti-slide pile in shear strain increment also increases. Stress distribution of rock and soil is triangular before and after anti-slide pile, pressure distribution of rock and soil is complex under the critical slip surface, and can be considered to be a trapezoid or rectangular distribution. Shear force and bending moment of anti-slide pile are the maximum on the critical slip surface.

reconstruction; anti-slide pile; mechanism of piles of rock; reinforcement effect

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.036

TU751+.7

A

1672?7207(2015)06?2244?06

2014?08?03；

2014?10?12

國家自然科學基金資助項目(51278067)；廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科轉1298011-2)(Project (51278067) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (1298011-2) supported by Science and Technology Development Plan of Guangxi)

何忠明，博士，副教授，從事道路工程教學與科研工作；E-mail：hezhongming45@126.com