基于多次凍融循環(huán)的懸臂式抗滑樁受力特性研究

摘 要：滑坡是目前發(fā)生頻率最高、危害很嚴重的地質(zhì)災(zāi)害之一。抗滑樁是滑坡治理最常見的工程措施之一，它能夠起到很好的阻滑作用。凍融多出現(xiàn)在北方寒冷地區(qū)，往往會對許多工程結(jié)構(gòu)帶來一定的破壞。處于寒冷地區(qū)的抗滑樁結(jié)構(gòu)常因發(fā)生凍融循環(huán)作用而使結(jié)構(gòu)性能退化，嚴重影響結(jié)構(gòu)的長期使用和安全運行。針對凍融對抗滑樁結(jié)構(gòu)破壞問題，以大前石嶺隧道進口滑坡工程為例，重點探討了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的懸臂式抗滑樁的變形和受力情況，得出抗滑樁的樁身強度和位移均受凍融循環(huán)次數(shù)的影響較大的結(jié)論，為凍融環(huán)循環(huán)條件下抗滑樁的設(shè)計提供理論支持。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);滑坡治理;抗滑樁;數(shù)值模擬;有限差分

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.109

凍融是一種頻發(fā)的自然現(xiàn)象，其發(fā)生條件包括正負溫差與吸水飽和，會對許多混凝土工程結(jié)構(gòu)帶來不可逆轉(zhuǎn)的破壞。目前，大多數(shù)研究是通過混凝土的快速凍融實驗和暴露實驗，研究混凝土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力和凍融對混凝土材料的微觀破壞影響。2013年，張澤等研究了凍融循環(huán)作用下土體結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及其工程性質(zhì)改變機理。同年，Wu Q L等探討了水分含量對高寒地區(qū)路基凍融性能的影響。2014年，Omran H Y和El-Hacha R研究了凍融循環(huán)暴露對彎曲加固鋼筋混凝土梁彎曲行為的影響。同年，Wang Z D等研究了凍融循環(huán)負荷下混凝土內(nèi)部相對濕度及其變質(zhì)的演變過程。2015年，葛文杰等對混凝土梁試件進行了不同次數(shù)的凍融循環(huán)，研究了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。同年，Xu H N等采用了X射線斷層掃描技術(shù)對三種瀝青混合料進行掃描，以確定凍融周期內(nèi)瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化。2016年，Cheng Y C等研究了裂縫、凍融循環(huán)和碳酸化對鋼筋混凝土的力學(xué)性能和耐久性的影響。同年，Jamshidi J R等以塑料和壓實土-水泥混合物為樣本，研究了在凍融環(huán)境對水泥砂漿性能和結(jié)構(gòu)的影響。2017年，Ma Z M等進行了凍融循環(huán)、抗壓強度和斷裂性能試驗，研究凍融損傷對混凝土斷裂行為的影響。同年，Rosa M G等比較了不同地質(zhì)材料的抗凍融性能，研究了粉煤灰的類型及含量對穩(wěn)定土工材料的抗凍融性能的影響。

目前，針對凍融對抗滑樁結(jié)構(gòu)破壞的研究少之又少，且絕大多數(shù)模擬軟件缺乏直接對混凝土結(jié)構(gòu)在凍融條件下進行數(shù)值模擬的能力。基于此，本文依托大前石嶺隧道進口滑坡工程，重點探討不同凍融循環(huán)次數(shù)下的懸臂式抗滑樁的變形和受力情況。

1 數(shù)值模擬模型設(shè)計

1.1 模型參數(shù)選擇

為了便于計算，本文采用Ottosen屈服準則的彈塑性本構(gòu)模型，探討凍融循環(huán)次數(shù)對抗滑樁力學(xué)性能的影響。由施士升的實驗理論可知，當混凝土凍融循環(huán)的次數(shù)發(fā)生改變時，混凝土的彈性模量和泊松比會發(fā)生改變，并可通過公式1和公式2分別對其進行折減。其中參數(shù)a、b、p、q可通過表1擬合得出。

根據(jù)已得到的參數(shù)a、b、p、q，可反算得出凍融循環(huán)30次、60次、90次后的混凝土彈性模量及泊松比。本文旨在分析凍融循環(huán)30次、60次、90次的應(yīng)力與位移變化，所需滑坡體與穩(wěn)定基巖的物理力學(xué)參數(shù)如表2、表3和表4所示。

1.2 計算模型

由于實體滑坡體積過大，本文采用FLAC3D軟件對模型進行處理，截取滑坡前緣部分進行計算，再對實體模型進行網(wǎng)格劃分。因此，必須先確定滑坡整體模型的尺寸范圍、邊界條件以及網(wǎng)格劃分類型。

1.2.1 模型尺寸

綜合考慮邊界對計算結(jié)果的影響，本文的計算模型選取范圍為樁前20m，樁后37.5m，地面以下延伸至地下30m。模型的總體尺寸為：長×寬×高=60.0m×21.6m×54.0m，對稱布置。模型整體分為以下三個部分：第一，穩(wěn)定基巖模型：由六面體單元和四面體單元構(gòu)成，單元最小尺寸為0.5m。第二，滑坡模型：由六面體單元構(gòu)成，單元最小尺寸為1m。第三，抗滑樁模型：由六面體單元構(gòu)成，最小尺寸為0.5m，最大尺寸為1m，如圖1所示。整個模型的邊界三維坐標區(qū)間為X=（0，60），Y=（-10.8，10.8），Z=（0，54）。其中，抗滑樁的邊界三維坐標區(qū)間為：X=（20，22.5），Y=（-10.8，10.8），Z=（22，40）。

1.2.2 網(wǎng)格及邊界條件

模型采用添加外荷載的形式改變其靜力平衡，所以抗滑樁采用靜力計算。因為本文主要研究抗滑樁在凍融條件下的變形情況，因此固定Z=0的平面，同時限制X軸與Y軸的位移。在確定計算范圍的基礎(chǔ)上，為使模型更接近于真實狀態(tài)，我們指定采用位移條件來約束模型的變形，假定邊界條件如下：約束滑坡整體模型底面Z方向的位移;兩側(cè)面施加X方向位移約束;前后面施加Y方向的位移約束，其他邊界采用自由邊界。

1.2.3 網(wǎng)格劃分及接觸面

為了體現(xiàn)建模真實性而對模型細部構(gòu)造細化，加上模型本身尺寸較大，直接導(dǎo)致滑坡整體網(wǎng)格劃分量加大。經(jīng)過不斷調(diào)整劃分精度、最小網(wǎng)格尺寸和接觸面形式，最終對滑坡整體模型實體單元網(wǎng)格劃分后，得到單元體27360個，節(jié)點31002個。同時抗滑樁與巖土體之間設(shè)置無厚度的接觸面單元，對邊界條件進行約束。本文設(shè)置的接觸面共28個，接觸面示意圖如圖2所示。

1.3 凍融循環(huán)次數(shù)確定

由抗滑樁的設(shè)計規(guī)范可知，其設(shè)計使用年限一般為50年。根據(jù)施氏實驗，取12h為一個凍融周期，試件的凍融幅度為+10℃至-30℃。但在自然狀態(tài)下，很難在幾天的時間內(nèi)出現(xiàn)如此劇烈的溫度變化。綜合考慮混凝土的抗凍等級、抗滑樁的設(shè)計使用年限及當?shù)販囟茸兓闳适幸荒曛袃鋈谘h(huán)次數(shù)為6次。

由此可知，恒仁市5年內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)約為30次，10年內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)為60次，15年內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)為90次。本文所取凍融循環(huán)30次、60次和90次三種情況，分別模擬5年、10年和15年后抗滑樁的形變及位移情況。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力的比較與分析

為了研究混凝土抗滑樁在凍融條件與常溫下的受力與位移特性，分別考慮抗滑樁經(jīng)歷30次、60次和90次凍融循環(huán)下的模型受力與變形。

由圖3可知，當凍融循環(huán)為30次時，最大主應(yīng)力大都集中在抗滑樁樁身中部與地面交界的位置。60次時，最大主應(yīng)力分布與30次下大致相同，但在樁身中部出現(xiàn)最大主應(yīng)力增加的情況。在凍融循環(huán)90次作用下，最大主應(yīng)力分布與前兩種情況大致相同，同時在樁身相同位置出現(xiàn)了最大主應(yīng)力增加的情況。

2.2 變形的比較與分析

由圖4可知，滑坡整體在凍融循環(huán)30次和60次時會出現(xiàn)沉降。當凍融循環(huán)為30次時，滑坡沉降主要出現(xiàn)在樁間土的位置。60次時，主要沉降狀態(tài)與30次時保持一致，但樁間土的最大沉降量有所增長。90次時，主要沉降狀態(tài)與前兩種情況保持一致，但樁間土的最大沉降量相對于60次時有所增長。

由圖5可知，滑坡整體在凍融循環(huán)30次和60次時會出現(xiàn)水平位移。當凍融循環(huán)為30次時，滑坡水平位移主要出現(xiàn)在樁間土位置。60次時，主要水平位移狀態(tài)與30次時保持一致，但樁間土的最大沉降量有所增長。90次時，主要水平位移狀態(tài)與前兩種情況保持一致，但樁間土的最大水平位移相對于60次時有所增長。

3 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)次數(shù)的增加對集中在抗滑樁樁身中部位置的最大主應(yīng)力有增強的效果，且凍融循環(huán)次數(shù)的增加對抗滑樁樁底位置Z向應(yīng)力有增加的趨勢。即：抗滑樁的樁身強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

（2）凍融循環(huán)次數(shù)的增加對滑坡整體豎向位移有較大影響，特別是在樁間土位置，會隨凍融次數(shù)增加沉降越大;凍融循環(huán)次數(shù)的增加對滑坡整體水平位移有較大影響，特別是在樁間土位置，會隨凍融次數(shù)增加水平位移越大。即：抗滑樁的樁身位移隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。

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