滑坡推力分布對灌注微型樁受力規(guī)律的影響分析

李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴陽 550081)

1 概 述

2018年底，貴州高速公路通車里程達到6 450 km，2020年預(yù)計突破10 000 km。隨著通車里程增加，在建設(shè)期和運營期，邊坡、路基失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害問題愈加頻繁。灌注微型樁(長細比大于30，樁徑為100～300 mm)作為新型支擋結(jié)構(gòu)被常用于公路邊坡、路基加固，具有輕型、快速、環(huán)保等特點，貴州每年公路建設(shè)微型樁用量約10 000根。微型樁在公路建設(shè)中使用時間較短，缺少相關(guān)規(guī)范規(guī)程指導(dǎo)設(shè)計和施工。

調(diào)研分析，滑坡推力分布形式的選擇關(guān)系到灌注微型樁設(shè)計的安全性，目前該方面研究較少。楊濤等針對已知坡推力為三角形、矩形或梯形分布的現(xiàn)狀，提出了定點剪出穩(wěn)定性核算的滑坡推力分布計算方法[1]。戴自航針對滑坡巖土體性質(zhì)的不同，推導(dǎo)了滑坡推力分布函數(shù)[2]。陳穎騏等通過監(jiān)測位移確定各點滑帶土強度的量化方法并分析了滑坡推力的優(yōu)化算法[3]。已有研究基本針對抗滑樁設(shè)計方面。

因此，本文在已知滑坡推力呈矩形或平行四邊形、三角形、梯形、拋物線分布為前提，采用MIDAS/GTS軟件模擬了滑坡推力分布對灌注微型樁受力規(guī)律的影響。

2 滑坡推力分布

滑坡推力分布形式與滑坡的類型、部位、地層性質(zhì)、變形情況及地基系數(shù)等因素有關(guān)，滑坡推力分布形式可根據(jù)實踐經(jīng)驗、實測結(jié)果和模型試驗分析等方法確定。常用滑坡推力分布形式有三角形、矩形(平行四邊形)和梯形、拋物線形4種(圖1)，對應(yīng)滑坡推力分布關(guān)系見表1。

圖1 滑坡推力分布形式

滑坡巖土類別滑坡推力分布形式滑坡推力合力作用點位置滑坡推力分布函數(shù)巖石矩形或平行四邊形12Lq(y)=EL砂土、散體三角形～拋物線35L～23Lq(y)=(36k-24)EL3z2+(18-24k)EL2z黏土拋物線～三角形23L～34Lq(y)=(36k-24)EL3z2+(18-24k)EL2z介于砂土與黏土之間梯形1320Lq(y)=1.8EL2z+E10L

注：E為計算滑坡推力；q為點荷載；L為受荷段樁長；z為點荷載位置距地表深度；k為控制系數(shù)，一般取0～1。

3 MIDAS/GTS軟件

MIDAS/GTS軟件是巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件，能夠進行巖土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析、動力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、邊坡穩(wěn)定分析、襯砌分析等，可實現(xiàn)巖土結(jié)構(gòu)三維動態(tài)模擬。軟件內(nèi)置有莫爾庫倫、修正莫爾庫倫、鄧肯-張、修正劍橋等14種本構(gòu)模型，以及用戶自定義本構(gòu)模型接口。此外，軟件提供了便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結(jié)果；可以廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)、巖土、水工、地質(zhì)、礦山、隧道等方面的分析。本次模擬計算涉及到MIDAS/GTS的原理有彈塑性分析、接觸單元、收斂標準。

3.1 彈塑性分析

在荷載作用下產(chǎn)生的總應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變：

(1)

3.2 接觸單元

MIDAS/GTS中提供了用于連接不同材料或剛度相差較大材料的接觸單元——Goodman單元。圖2節(jié)點號為1，2，3，4與整體坐標軸X軸傾斜角α的典型接觸單元。采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服標準計算。

3.3 收斂標準

GTS中的收斂標準有位移、不平衡力以及不平衡能量收斂標準。迭代計算過程中達到收斂標準要求時，會自動進行下一步分析。迭代過程用向量方式的Euclidean范數(shù)表示如下：

(2)

式中：‖d‖為向量d的范數(shù)；di為向量d的第i個成分；n為向量中的成分數(shù)。

圖2 典型接觸單元

4 模擬分析

4.1 模擬思路

假設(shè)計算滑坡推力E按表2中荷載進行分級加載，加載模型見圖3。通過提取模擬結(jié)果中的樁身彎矩峰值、彎矩峰值位置、負剪力峰值、負剪力峰值位置、樁頂位移、滑動面處樁身位移，作出推力分布-結(jié)果曲線，進而獲得推力分布對灌注微型樁的影響規(guī)律。

表2 橫向荷載分級

圖3 模型邊界及加載

4.2 建模及參數(shù)

4.2.1 建 模

以承臺微型樁為例，從微型樁的受力、變形、坡體土壓力分布、樁土相互作用進行模擬分析，規(guī)定灌注微型樁群從左至右分別為第1排樁、第2排樁、第3排樁。

模型見圖4，幾何尺寸(長×寬×高)取17.954 m×2.0 m×15.5 m，以粉質(zhì)黏土與泥巖的交界面模擬滑動面。樁徑為30 cm，樁間距1 m，排間距0.5 m，樁長8 m。

圖4 MIDAS/GTS分析模型

4.2.2 參 數(shù)

數(shù)值模擬試驗中，微型樁群的幾何參數(shù)為：粉質(zhì)黏土與泥巖的物理力學(xué)參數(shù)見表3，微型樁與頂板的物理力學(xué)參數(shù)見表4。微型樁、頂板采用彈性模型進行模擬，粉質(zhì)黏土與泥巖采用Mohr-Coulomb模型進行模擬，微型樁與粉質(zhì)黏土、泥巖之間建立接觸，接觸單元參數(shù)見表5。

表3 試驗地層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標

表4 物理力學(xué)參數(shù)

表5 接觸界面輸入?yún)?shù)

4.3 結(jié)果分析

1) 滑坡土體推力分布-樁身彎矩、彎矩峰值影響見圖5、圖6及表6。

圖5 滑坡土體推力分布-樁身彎矩

圖6 滑坡土體推力分布-樁身彎矩峰值

滑坡推力分布形式彎矩峰值大小/MN·m彎矩峰值到滑動面的距離/m矩形9.162.857拋物線7.782.857梯形7.102.857三角形6.872.857

根據(jù)模擬結(jié)果分析得：①不同滑坡推力分布形式工況下，樁身彎矩均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，彎矩峰值均出現(xiàn)在滑動面以下位置處，其位置約在滑面以下2.86 m處，這說明滑坡推力的分布形式或者滑坡推力的合力作用點位置對彎矩峰值位置無影響。②滑坡推力為矩形分布時，對樁基產(chǎn)生彎矩最大，其次依次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布，4種分布形式下樁身彎矩峰值依次為9.16，7.78，7.10和6.87 MN·m。③對于滑動面以上的樁長范圍內(nèi)，滑坡推力分布形式顯著影響彎矩的大小，滑動面以下的樁身內(nèi)力大小受推力分布形式的影響則相對較小。

2) 滑坡推力分布-負剪力峰值、負剪力峰值位置影響見表7、圖7-圖8。

表7 滑坡推力分布-負剪力峰值

圖7 滑坡推力分布-樁身剪力

圖8 滑坡推力分布對樁身負剪力峰值的影響

根據(jù)模擬結(jié)果分析得：①不同滑坡推力分布形式工況下，樁身剪力均呈先增大后減小為0出現(xiàn)負值后逐漸增大直至為0，分布規(guī)律呈現(xiàn)反S型分布。剪力的第一個拐點在滑動面處，其值均為1 MN，即為滑坡推力大小。滑動面以下位置出現(xiàn)剪力零點，該點也為彎矩峰值點。②滑坡推力分布形式為矩形分布、拋物線形、梯形、三角形分布時，剪力零點位置不變，負剪力峰值依次為-1.33，-1.14，-1.05和-1.02 MN，距滑動面的距離均為7.14 m。這表明滑坡推力呈矩形分布樁身剪力最大，其后依次為拋物線形、梯形與三角形分布，但滑坡推力分布形式不影響負剪力峰值位置。

3) 滑坡推力分布-樁身位移、樁頂位移、滑面處位移影響見圖9、圖10及表8。

圖9 滑坡推力-樁身位移分布規(guī)律

圖10 滑坡推力分布-樁身位移

根據(jù)模擬結(jié)果分析得：①不同滑坡推力分布形式工況下，樁身位移均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，位于穩(wěn)定土層中的樁身位移逐漸趨于零。②滑坡推力呈矩形分布、拋物線分布、梯形分布、三角形分布時，樁頂位移依次為7.70，5.85，5.44，5.20 cm，滑動面處樁頂位移依次為1.13，1.00，0.93，0.91 cm，這表明滑坡推力分布形式不同，樁身產(chǎn)生的位移也不同。當滑坡推力為矩形分布時，樁身產(chǎn)生的位移最大，其次依次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布。

綜上所述，當滑坡推力呈矩形分布形時，滑坡體最密實，其次依次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布。滑坡體越密實，對灌注微型樁的不利影響越大。

5 結(jié) 論

通過MIDAS/GTS軟件建立模型，模擬了滑坡推力的不同對灌注微型樁的影響規(guī)律研究，結(jié)論如下：

1) 滑坡推力分布形式或者滑坡推力的合力作用點位置對彎矩峰值位置、負剪力峰值位置無影響。

2) 滑坡推力呈矩形分布樁身剪力最大，其次為拋物線形、梯形與三角形分布。

3) 當滑坡推力分布形式為矩形時，滑坡體最密實，其次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布。表明滑坡體越密實，其對微型樁的不利影響越大。