不同地層和滑坡推力分布對微型樁受力影響分析

黃林，江南，馮君，張俞峰，何長江

不同地層和滑坡推力分布對微型樁受力影響分析

黃林，江南，馮君，張俞峰，何長江

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

針對“八”字形頂板連接微型樁組合結構，采用有限元方法研究不同地層組合條件下微型樁組合支護體系加固分級開挖邊坡的地震動力特性。研究結果表明：最不利情況下，靜力開挖作用與地震作用微型樁組合結構的變形方式均呈現出整體向山體外側彎曲的趨勢，且地震作用下微型樁軸力值較大；滑床巖體性質越好，微型樁所受軸力越小；在滑坡推力作用下，微型樁軸力極值基本都出現在靠山體側微型樁上，實際工程中可根據靠山體側樁受力進行設計；對于具有同一地層組合結構的邊坡，不同滑坡推力分布形式下微型樁軸力大小排序為：滑坡推力均勻分布＞梯形分布＞三角形分布。

微型樁組合結構；數值模擬；不同地層組合；地震動力特性；滑坡推力分布

微型樁復合結構是一種新的支擋結構體系，通過頂板或頂梁以一定距離連接多個微型樁，用于滑坡治理，邊坡加固和深基坑支護[1]。由于微型樁其施工速度快同時具有良好的柔韌性，因此被優先用于邊坡工程的抗震搶險[2]。馮君等[3]將加固邊坡的微型樁作為樁?巖?土復合結構，利用彈性地基梁理論建立了復合結構的理論計算模型，得到了滑坡推力下樁身受力為矩形分布力的結論。周德培等[4?6]對頂板連接的微型樁復合結構抗滑機理進行模型試驗研究，提出了一種新的微型樁抗滑機理，即：發揮樁的抗拉強度和樁土間相互作用來抵抗滑坡推力。Marwan等[7]考慮樁傾角對地震荷載動力響應的影響，發現傾斜微型樁可改善樁應力分布。Ahmad等[8]通過模型試驗和有限元分析研究了微型樁?土結構之間的相互作用。結果表明，斜樁可以減小樁頂位移，增加軸力，但樁頂與樁交接處彎矩會增大。Reza等[9]通過有限元分析了傾斜微型樁的動力響應。WANG等[10]對微型樁加固基礎進行了有限元動力分析，并比較了土體在靜載荷和地震作用下的位移。杜衍慶等[11]采用數值模擬方法，比較分析了樁間距、樁間土參數和樁基強度對群樁水平承載力的敏感性。李志雨[12]通過數值模擬研究，發現在利用微型樁進行滑坡治理時，其合理樁間距是樁徑的5~10倍，同時頂板可有效提高微型樁的抗剪強度。鄒立壘[13]通過數值模擬對超載下微群樁進行分析。結果表明，隨著樁長的增加，樁身彎矩、側向位移、坡頂水平位移均減小。王一建[14]利用FLAC3D分析了剛性材料、灌漿土和樁長對微型樁抗拔性能的影響。蔣楚生等[15]通過對微型樁復合結構的理論探討，確定了復合樁的樁間距，樁前抗力和樁后滑坡推力。牛文慶[16]通過模型試驗和數值分析研究了“人”形微型樁和平行微型樁在地震作用下的變形特性和內力分布特征。上述研究主要集中于微型樁的靜力學特性，在邊坡加固工程中受水平荷載作用下，對微型樁地震動力特性分析較少，且鮮見關于不同地層條件下微型樁動力特性研究。本文依托廣大線(廣通至大理)擴能改造工程，采用有限元軟件Plaxis，分析不同地層組合條件下4級開挖邊坡“八”字型微型樁復合結構的地震動力特性以及不同滑坡推力分布形式對其影響。

1 微型樁組合結構有限元模型

1.1 模型建立

該模型以廣大線DK63+200斷面為依托對象，包括分為上下部分的2種類型地層，如圖1所示。其中微型樁的直徑為150 mm，中間微型樁豎直布置，長18 m。山體側和路面側的微型樁與中間微型樁均成15°角，排列成八字形，分別長18.64 m。樁內加筋體為鋼筋籠，主筋為間隔 120°焊接的 3 根32 mm螺紋鋼。邊坡計算幾何模型尺寸長130 m，高68 m。巖土體和微型樁頂板由15節點高精度三角形實體單元模擬，錨桿、微型樁等采用結構單元模擬，網格劃分如圖2所示。

圖1 廣大線DK163+200工點斷面圖

圖2 計算模型示意圖

1.2 邊坡土體及模型參數

巖土體視為彈塑性材料，服從摩爾庫倫屈服準則；微型樁、頂板和錨桿則采用線彈性材料。材料參數如表1和表2所示。在動力學計算中，土體和結構的物理阻尼由瑞利阻尼模擬。為研究不同地層組合對微型樁受力的影響，本次數值計算采用的地層組合工況如表3所示。

表1 巖土材料參數

表2 結構材料參數

表3 地層組合類型

1.3 加載方式及約束條件

本次數值模擬可分為2種類型：靜力和動力。在計算靜力條件時考慮土體的自重；動力計算中的參考地震波是EL-Centro波，采用單向水平加載，持時為53.72 s，最大加速度為0.356 9，時程曲線如圖3所示。在實際計算中，EL-Centro波被調幅處理，使得最大加速度為0.2，換句話說，加速度幅值減小但頻率不變。在靜力計算中，除了頂部自由以外，模型邊界是對稱約束的。在動力計算中，模型的上部是自由的，左邊界和右邊界作為吸收邊界條件減小地震波的反射，底部施加水平地震加速度以模擬地震荷載的影響。

圖3 美國EL-Centro地震波時程曲線

2 地震作用下微型樁受力分析

2.1 不同地層組合微型樁內力分析

由于微型樁相對細長，樁的穩定性主要取決于軸向拉伸或壓縮作用[1]，故本文選擇各階段微型樁樁身軸力進行分析。本文分析步驟如下：首先邊坡分級開挖穩定后(施工階段)，獲得各微型樁軸力沿樁深的分布；其次是邊坡開挖完成后施加地震荷載(運營階段)，同理可獲取微型樁在地震力作用下的軸力大小和分布；與此同時，可得到各微型樁樁后土壓力大小和分布。值得注意的是此處軸力是等效單寬軸力(kN/m，受拉為正)。

在地震力作用的過程中，邊坡支護結構的內力在持續發生變化，最不利情況為結構內力達到峰值的時刻，因此取地震過程中內力峰值出現時刻所對應的數值繪制相關曲線圖。圖4~6是不同地層組合情況第4級邊坡開挖及地震作用下軸力沿樁身分布情況。

圖4 地層組合1第4級邊坡開挖及地震作用下軸力沿樁深分布圖

圖5 地層組合2第4級邊坡開挖及地震作用下軸力沿樁深分布圖

1) 在靜力作用下，微型樁軸力極值的出現位置與滑體、滑床的巖層性質有關，滑床巖體越軟弱，極值出現位置越深，例如地層組合1(上部W3砂巖，下部W2砂巖)，山體側樁軸力極值出現在樁深2.5 m附近，而地層組合3(上部軟塑粉質黏土，下部硬塑粉質黏土)，其極值出現在樁深6 m處。

圖6 地層組合3第4級邊坡開挖及地震作用下軸力沿樁深分布圖

2) 從地層組合1來看，軸向拉力極值出現在中間樁上；從地層組合2來看(上部軟塑粉質黏土，下部W2基巖)，微型樁軸向拉力極值出現在山體側樁上；從地層組合3來看，軸向拉力極值出現在中間樁上。因此，若僅從當前計算結果來看，不同巖層情況下，各排微型樁受力大小排序并不一致，似乎沒有固定規律可循，但值得指出的是，當前計算巖體采用的本構關系為摩爾庫倫模型，該本構沒有考慮巖土體的壓硬性(即模量隨應力水平的變化)，由此會高估開挖引起的隆起變形，從而導致靠外側微型樁內力變大，這與實際情況可能不符。地層組合2的巖層下部為較硬的W2基巖，上部為較軟的軟塑粉質黏土，相對于地層組合1和地層組合3而言其計算結果受開挖隆起變形影響相對較小，因此更接近于實際情況，認為山體側樁受力最大，實際設計時可根據該樁的受力來進行設計。

3) 在地震作用下，微型樁的受力是往復變化的，最不利的情況仍表現為整體向山坡外彎曲，山體側樁受拉，路面側樁受壓，且軸力數值上相對于靜力開挖情況有較大幅度的增加。例如圖4所示，對于地層組合1，靜力情況下山體側樁最大軸向拉力為9.1 kN/m，地震作用下增加至46 kN/m，增加了4.0倍；從圖5可知，對于地層組合2，靜力情況下山體側樁最大軸向拉力為10 kN/m，地震作用下增加至34 kN/m，增加了2.4倍；從圖6可知，對于地層組合3，靜力情況下山體側樁最大軸向拉力為38 kN/m，地震作用下增加至150 kN/m，增加了2.9倍。

(a) 微型樁變形形態；(b) 微型樁軸向受力

4) 在地震作用下，滑床的地層條件對微型樁地震反應影響較大，滑床巖體性質越好微型樁軸力越小，巖體性質越差，微型樁軸力越大。對比圖5和圖6，即地層組合2和地層組合3可知，2種工況滑體相同，滑床不同，地層組合2滑床為W2砂巖，其山體側微型樁最大軸向拉力為34 kN/m，地層組合3滑床為硬塑狀粉質黏土，相同位置的微型樁最大軸向拉力增加至150 kN/m，增加了3.4倍。

5) 如圖7(a)所示，在靜力作用下，微型樁組合結構的變形模式為整體向山外側發生彎曲，即山體側樁向受拉趨勢發展，路面側樁整體受壓；例如地層組合2中，山體側樁軸向力具有正值(拉力)，而道路側樁的軸向力為負(壓力)，且邊坡地質條件越軟弱，現象越明顯；對于微型樁復合結構的受力機制，由于山體側樁向受拉趨勢發展，路面側樁整體受壓，樁群中只有中間樁整體受拉，微型樁組合結構在邊坡加固工程應用中軸向受力模式可表示為圖7(b)所示，這與文獻[1]所得結論吻合，同時也驗證了本計算模型的可靠性與正確性。

2.2 地震作用下樁后土壓力分析

圖8為不同地層組合條件地震作用下各排微型樁的樁后土壓力分布，分析可知：地層組合1與地層組合2樁后土壓力沿樁深分布呈現出逐漸增大的趨勢，但在折線中出現一水平平臺，該處樁后土壓力激增，表明此處可能存在淺層滑面；地層組合3樁后土壓力沿樁深呈現出波動增大的分布，并未出現前2種地層組合情況下在樁深某處樁后土壓力激增(折線平臺)現象，原因在于地層組合3上下地層均為粉質黏土，較前2種地層組合地質條件差，故上下部地層變形差異較小，致使分界滑動面的存在在折線圖上效果不明顯。

(a) 地層組合1；(b) 地層組合2；(c) 地層組合3

值得注意的是，在地震作用下，不同地層組合顯示出不同的樁后土壓力分布類型，如圖8所示，可以概化其土壓力分布，地層組合1為梯形分布，地層組合2也為梯形分布，地層組合3卻近似為三角形分布，分布規律不明顯，若要實現微型樁地震作用下的實際設計應用，必須對土壓力分布形式作出簡化研究，將在下節中詳細討論。

3 滑坡推力分布對微型樁影響分析

上述“八”字形微型樁在不同地層組合條件下的受力模式已經明確，即軸向拉壓為主，山體側樁受力最大。實際工程中，微型樁的設計計算仍以荷載結構模式為主，這就必須解決作用在微型樁上滑坡推力分布形式的問題。

因此，根據上述地層條件和計算模型，依據樁土相互作用力確定地震作用下復合微型樁的滑坡推力并將其等效轉換為均布荷載，三角荷載和梯形荷載共3種分布形式。具體數據如表4所示。僅對第4級邊坡在滑坡推力作用下作數值分析，如圖9所示。圖10～12分別代表均布荷載、三角形荷載及梯形荷載下微型樁軸力沿深度分布圖；微型樁軸力極值對比如圖13所示。

表4 滑坡推力分布類型及大小

圖9 施加滑坡推力計算示意圖

根據圖10~13的結果，可以得出以下結論：

1) 對比圖10~12，在不同滑坡推力分布作用下，微樁復合結構的變形模式均向山體外側彎曲，且當邊坡地質條件越軟弱，該現象越明顯；例如圖10所示，任一種滑坡推力分布作用下，地層組合3情況下不論是軸力分布范圍還是軸力數值上均為最大。

2) 由前述分析可知，山體側樁受到軸向拉力且受力最大，故分析圖13可知，在滑坡推力作用下，對比構成組合抗滑結構的3排微型樁軸向拉力可知，各工況微型樁軸向拉力極值基本都出現在山體側樁上；只有地層組合1的情況略有不同，估計是由于滑坡推力值較小，滑面強度較高，邊坡未達到極限平衡狀態有關；目前邊坡設計一般采用極限狀態設計，因此可以認為在滑坡推力作用下，山體側樁受力最大，實際設計時可根據該樁的受力來進行設計。

3) 對于同一地層組合的邊坡結構，各滑坡推力分布形式下微型樁的軸力順序為：推力均勻分布＞梯形分布＞三角形分布。從結構力學理論知識也可判定該結論與之吻合，由于3種荷載分布形式合力一樣，合力作用點位置越高，樁身彎矩越大，其軸力值也相應更大。例如地層組合3，均布情況下山體側樁最大軸向拉力為190 kN/m，三角形分布為150 kN/m，梯形分布為175 kN/m；對于地層組合2，均布情況下山體側樁最大軸向拉力為126 kN/m，三角形分布為85 kN/m，梯形分布為124 kN/m。推力分布的形式對山體側微樁的內力影響較大，而對道路側微樁影響較小，例如地層組合3，3種推力分布形式下，路面側樁的內力基本無變化。

(a) 均勻分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 均勻分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 均勻分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 地層組合1；(b) 地層組合2；(c) 地層組合3

4 結論

1) 在靜力開挖和地震動力作用下，微樁復合結構的受力變形模式均表現為向山外彎曲，且在地震作用情況下軸力數值較大。微型樁軸力極值的出現位置與滑體與滑床的巖層性質有關，滑床巖體越軟弱，極值出現位置越深。

2) 在滑坡推力作用下，微型樁的軸力極值基本出現在靠山體側的微型樁上，當邊坡地質條件越軟弱，該現象越明顯。實際工程可根據山體側樁的受力來進行設計。

3) 對于具有同一地層組合結構的邊坡，不同的滑坡推力分布下，微型樁的軸力大小：推力均勻分布＞梯形分布＞三角形分布。無論滑坡推力分布形式如何，山體側微型樁軸力變化較大，而路面側微型樁變化較小。

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Influence of landslide thrust distribution and different stratum on force of micro-pilecomposite structure

HUANG Lin, JIANG Nan, FENG Jun, ZHANG Yufeng, HE Changjiang

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In view of the “eight” shape roof connected micro-pile composite structure, the finite element method was used to study the seismic dynamic characteristics of the graded excavation slope strengthened by the micro-pile composite structure under different strata conditions. The results show that under the most unfavorable conditions, the deformation mode of micro-pile composite structure under static excavation and seismic action tends to bend to the outside of the mountain as a whole, but the axial force of micro-pile under seismic action is larger. The better the rock mass property of sliding bed is, the smaller the axial force of the micro pile is. Under the action of the landslide thrust, the extreme value of the axial force of the micro pile basically appears on the micro pile on the side of the mountain. In practical engineering, the design can be carried out according to the force of that pile. Within the slope with same strata structure, according to the different forms of landslide thrust distribution, the axial force of micro pile is ordered as follows: Uniform distribution > ladder distribution > triangle distribution.

micro-pile composite structure; numerical simulation; different stratums; dynamic characteristics; landslide thrust distribution

TU473

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0592 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190518

2019?06?12

國家自然科學基金資助項目(51178402)

江南(1978?)，女，河北唐山人，講師，博士，從事土木工程方面的教學與研究；E?mail：jn2838237@126.com

(編輯 涂鵬)